حاز 3 براءات اختراع..مشروع بحثي لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات هيدروكربونية وتخفيف الاحتباس الحراري

يعد غاز ثاني أكسيد الكربون أحد المساهمين الرئيسيين في ظاهرة الاحتباس الحراري وقد تم الاعتراف به كمصدر رئيسي لهذه الظاهرة التي تؤثر بشكل سلبي وخطير على المناخ.

وتم تنفيذ العديد من المبادرات في جميع أنحاء العالم للتخفيف من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، حيث يستهلك العالم ما يقرب من مليار برميل من النفط مساويًا لإطلاق ما يقارب 1 تريليون رطل من ثاني أكسيد الكربون لكل 12 يومًا في الغلاف الجوي، مما يخلق مشاكل خطيرة مثل الاحتباس الحراري والجفاف والتصحر التي تؤثر على الظروف المعيشية على الأرض وتغيير المناخ، وكشفت دراسة حديثة عن وجود علاقة خطية بين انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وفقدان الجليد في القطب الشمالي، والذي تقلص بمقدار النصف خلال الأربعين عامًا الماضية.

وعمل فريق بحثي في ​​الجامعة، يتألف من اثنين من طلاب الماجستير وبقيادة الدكتور محمد أشرف قوندال، على مشروع بحثي متميز يهدف إلى تطوير محفزات ضوئية نانوية فعالة من حيث التكلفة ومستقرة وعالية الأداء باستخدام تقنيات تصنيعية مختلفة، حيث تستخدم هذه التقنيات في التحفيز الضوئي لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ميثانول، وحاز المشروع على (3) براءات اختراع صادرة مؤخراً عن مكتب الولايات المتحدة للبراءات والعلامات التجارية.

ويمكن استخدام هذا المشروع كمنصة لتحقيق نتائج علمية ممتازة مثل تدريب أو عمل اطروحات لطلاب الدكتوراه والماجستير وتطوير التقنيات الحاصلة على براءة اختراع وكذلك المنشورات ذات التأثير الكبير، ويتم توجيه جميع هذه البحوث لتلبية احتياجات الصناعات المحلية، وكذلك تتماشى مع رؤية 2030 التي تهدف إلى تقليل اعتماد المملكة على النفط والاعتماد على بدائل اقتصادية متنوعة.

علاوة على ذلك، يتم دراسة تسويق عملية التحويل هذه لتحويل ثاني أكسيد الكربون على المستوى الصناعي إلى ميثانول باستخدام المفاعلات الضوئية الشمسية لإنتاج المنتجات المتجددة وغيرها من المنتجات البلاستيكية، والتي تتزامن مع رؤية المملكة لتقليل الاعتماد على المنتجات البترولية.

ويتم في عملية التحفيز الضوئي تسليط شعاع الضوء على المحفز مما يؤدي لإثارة الإلكترونات مما يؤدي إلى تشكل نطاق توصيل إلكتروني و فجوات نطاق التكافؤ، والتي تعمل كمواقع لتقليل الضوء وأكسدة الضوء، على التوالي كما هو موضح في الشكل(1).

ويتمثل الهدف الرئيسي في هذا المشروع البحثي في تطوير محفز ضوئي جديد منخفض التكلفة من أجل تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى الميثانول بشكل فعال، وكانت نتائج البحث واعدة للغاية، كما تم تصنيع عدد من المحفزات الضوئية الأخرى ذات البنية النانوية وفحصها في هذا المشروع.

وتم تصنيع المحفزات الضوئية ذات البنية النانوية ومركباتها، كما أجريت تفاعلات التحفيز الضوئي لتحويل ثاني أكسيد الكربون في مفاعل دفعي مخصص للمختبرات، الشكل (2)، مع تجهيزه بمنافذ ومداخل ضرورية لثاني أكسيد الكربون ومؤشرات الضغط، إلى جانب منفذ لأخذ عينات من السائل. تم تصميم المفاعل الدفعي الكيميائي ضوئي ، وتعديله بالشكل الأمثل لتحسين كفاءة التحويل لثاني أكسيد الكربون، وتم قياس الخصائص الفيزيائية والبصرية والهيكلية للمحفزات المصنعة باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية وقياس الامتصاصية باستخدام مطياف الاشعة فوق البنفسجية ، واللمعان الضوئي واستخدام تقنية قياس مجال الانبعاث باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (FE-SEM) وتقنية التصويرالمجهري عالي الدقة لانتقال الإلكترونات (HRTEM) ، وتم تعديل هذا المحفز المحدد لتحقيق أقصى تحويل لثاني أكسيد الكربون إلى هيدروكربونات.

وقال رئيس الفريق البحثي د.محمد قوندال إن الرؤية الطويلة الأمد في هذا المشروع تتمثل في تشجيع البحوث متعددة التخصصات ونقل التقنية في مجال المواد ذات البنية النانوية وتطبيقاتها لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات عالية القيمة مثل الميثانول وغيرها من الهيدروكربونات.

وأوضح أن هذه الدراسة ستشكل قاعدة تقنية للتعاون بين هذه الأقسام وغيرها في هذا البحث التطبيقي، وستكون نتائج هذا البحث مفيدة جداً للتطبيقات الصناعية لتحويل ثاني أكسيد الكربون للتقليل من المشاكل البيئية.

وأكد أن تصنيع المواد المتقدمة عالية النقاء أمر ضروري للنمو الصناعي والتنمية حيث يمكن استخدام هذه المواد في الأجهزة الكهروضوئية النانوية وخلايا اللوح الضوئي وأجهزة تخزين الطاقة والتحفيز الضوئي لتحويل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى وقود أخضر، والذي كان الموضوع الرئيسي لمؤتمر TIC CCS-16 (تطويرعملية كيميائية ضوئية فعالة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى هيدروكربونات مفيدة باستخدام محفزات نانوية مسامية وغير مسامية).

وأضاف أنه تم الاعتراف بالنتيجة العلمية لهذا المشروع البحثي في شكل 3 براءات اختراع صادرة مؤخراً عن مكتب الولايات المتحدة للبراءات والعلامات التجارية، بالإضافة إلى ذلك، تم نشر نتائج هذا المشروع في العديد من المجلات.

ويعمل الدكتور محمد قوندال أستاذاً متميزاً في الفيزياء، وهو مدير مجموعة أبحاث الليزر بجامعة الملك فهد للبترول والمعادن وزميل لكبار الباحثين في مدينة الملك عبد الله للطاقة الذرية والمتجددة. تتركز اهتماماته البحثية على الفيزياء التطبيقية بما في ذلك الليزر وتقنية النانو وتطبيقاتها، والفيزياء الحيوية، والطاقة الشمسية والمتجددة، وأجهزة تخزين الطاقة، وحماية البيئة ومراقبتها، وأجهزة الاستشعار، وتخفيض ثاني أكسيد الكربون، وإنتاج الهيدروجين، والعلوم الكيميائية، ومعالجة مياه الصرف، والتحفيز الضوئي، والتحليل الطيفي. وقد نشر أكثر من 500 ورقة بحثية جديدة، نتج عنها آلاف من الاستشهادات، وهو عالم مشهور في مختلف المجالات المرتبطة بفيزياء الليزر وتطبيقاتها.

للمزيد من التفاصيل عن البحث

(Environ. Chem. Letters, 16, 183-210 (2018), Int J Energy Res. 2018;42:2031–2049, Inter. J. Energy Res 41(14), pp. 2162-2172, 2017, J. Env Sci & Health, Part A 52:2017 (8), 785-793).