پژوهشگران ایرانی با استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم نشست داده شده بر روی توری ضد زنگ موفق به تبدیل همزمان دی‌اکسید کربن و متان به مواد مفید شیمیایی در دمای پایین در طی واکنش فتوکاتالیستی شدند.

به گزارش سرویس فناوری ایسنا، مریم ترابی مرجین، دانشجوی دکتری شیمی کاربردی دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان و محقق این طرح اظهار کرد: با آغاز فعالیت‌های صنعتی بشر، CO۲ و CH۴ به ترتیب به عنوان مهمترین اجزای تشکیل‌دهنده گازهای گلخانه‌ای نقش مهمی را در تشدید اثر گلخانه‌ای و بروز معضل گرم شدن کره زمین و نتایج نگران کننده متعاقب آن داشته‌اند و انعقاد پیمان جهانی کیوتو در سال ۱۹۹۷ مبنی بر ضرورت کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای دلیل محکمی بر این موضوع است. در جهت مقابله با این مشکل، تجزیه همزمان دی اکسید کربن و متان می‌تواند یک راه حل مناسب برای کاهش غلظت گازهای گلخانه‌ای در اتمسفر زمین باشد. روش‌های کاتالیستی جهت تبدیل همزمان ‌مولکول‌های پایدار دی اکسید کربن و متان به مواد باارزش‌تر مستلزم دماهای بسیار بالا و کاتالیست مناسب است که اعمال دماهای بسیار بالا در این روش منجر به غیر فعال شدن سریع کاتالیست در نتیجه نشست کربن و تغییرات ساختاری سایت‌های فعال کاتالیست می‌شود. لذا روش‌های دیگر تبدیل همزمان مولکول‌های پایدار دی اکسید کربن و متان که در دماهای پایین‌تر قابل اجرا باشند، مطلوبترند.

وی افزود: در سال‌های اخیر کاتالیست‌های نیم‌رسانا به دلیل دارا بودن فعالیت فتوکاتالیستی جهت آغاز و پیشبرد واکنش‌های اکسایش-کاهش (redox)، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. تبدیل دی اکسید کربن یک واکنش احیا و تبدیل متان یک واکنش اکسایشی است. واکنش تبدیل همزمان دی اکسید کربن و متان یک واکنش ایده‌ال اکسایش-کاهش محسوب می‌شود. استفاده از انرژی نور UV برای غلبه بر سد ترمودینامیکی برخی از واکنش‌های نامطلوب از لحاظ ترمودینامیکی می‌تواند مفید باشد. با این وجود، تنها مقالات بسیار اندکی در مورد واکنش همزمان دی اکسید کربن و متان تحت شرایط تابش نور وجود دارد.

به نوشته سایت نانو، در این تحقیق تبدیل همزمان دی‌اکسید کربن و متان به مواد مفید شیمیایی در دمای پایین در طی واکنش فتوکاتالیستی و با استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم نشست داده شده بر روی توری ضد زنگ مورد بررسی قرار گرفته است.

ترابی مرجین در مورد هدف این تحقیقات گفت: در این تحقیق ما به دنبال استفاده از روش‌های فتوکاتالیستی جهت غلبه بر سد ترمودینامیکی واکنش بسیار گرماگیر تبدیل همزمان مولکول‌های پایدار دی اکسید کربن و متان به مواد با ارزشتر بوده‌ایم تا این واکنش در دماهای پایینتر قابل انجام باشد، بهینه‌سازی روش فتوکاتالیستی مورد نظر یکی دیگر از اهداف ما در این تحقیق است.

این محققان در مرحله اول آزمایشات، با استفاده از یک روش ساده و موثر نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم را بر روی پایه توری تثبیت می‌کنند. ترابی در مورد نحوه نشاندن نانوذرات افزود: جهت نشست‌دادن نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم بر روی توری، ابتدا مقداری از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم را در حلال اتانول حل می‌کنیم و سپس اسید نیتریک با PH=۳.۵ را جهت توزیع یکنواخت نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم در حلال، به دوغاب اضافه می‌کنیم. در مرحله بعد جهت حصول دوغاب کاملاً یکنواخت و اطمینان از حذف کامل ذرات کلوئیدی احتمالی تشکیل شده در دوغاب، دوغاب را به مدت ۳۰ دقیقه به‌ وسیله‌ دستگاه سونیکاتور به صورت کاملاً یکنواخت در می‌آوریم. دوغاب حاصل، آماده نشست داده شدن بر روی پایه است. پایه‌های استفاده شده، توری‌های ضد زنگ با مش سایزهای استاندارد هستند. در این مرحله پایه را که از قبل به فرم دلخواه استوانه‌ای شکل درآورده و جهت پاک کردن از هر گونه آلاینده، با اسید کلریدریک ۰.۱ مولار، استون و آب مقطر شستشو داده و خشک کرده‌ایم را در دوغاب فرو برده و بعد از یک دقیقه غوطه‌ور کردن، پایه را از دوغاب خارج و به مدت ۱۲ ساعت در دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد خشک و سپس به مدت ۳۰ دقیقه در دمای ۳۵۰ درجه سانتیگراد کلسینه می‌کنیم. به این ترتیب نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم بر روی توری نشست داده شده و آماده استفاده به عنوان فتوکاتالیست در محیط واکنش هستند.

بر اساس این گزارش، در این تحقیق تست‌های SEM ,XRD وUV–Vis جهت تعیین مشخصات کاتالیست تهیه شده انجام شده‌اند. تمامی آزمایشات در حضور نور UV و در یک راکتور ناپیوسته در فاز گازی انجام گرفته‌اند. راکتور مورد استفاده در این پروژه به‌ وسیله‌ همین تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه طراحی و ساخته شده‌ است.

برای انجام هر آزمایش، ابتدا فتوکاتالیست تهیه شده در راکتور قرار داده شده و سپس درِ راکتور بسته می‌شود. بعد از انجام تست نشت‌گیری، فضای داخل راکتور خلا شده و سپس راکتور با نسبت‌های مشخص از سازنده‌های خوراک گازی شامل دی اکسید کربن، متان و هلیم تا فشار اولیه ۶۰ psi پرمی‌شود. کل حجم فضای داخل راکتور یک لیتر است. قبل از شروع واکنش فتوکاتالیستی، ابتدا تست GC (بوسیله دستگاه GC-CGCA-۱ مجهز به دتکتور TCD و به صورت on-line) بر روی خوراک داخل راکتور انجام گرفته و سپس لامپ UV داخل راکتور روشن می‌شود و این لحظه آغاز واکنش فتوکاتالیستی محسوب می‌شود. در هر واکنش، لامپ UV به صورت مداوم به مدت هشت ساعت روشن بوده و در طی این بازه زمانی، در هر ساعت آنالیزهای GC و FTIR برای اندازه‌گیری غلظت اجزای واکنش‌دهنده و‌ شناسایی ترکیبات تولید شده در طی واکنش انجام می‌گیرند. از میزان درصد تبدیل دی اکسید کربن و متان در طی انجام واکنش برای ارزیابی میزان کارایی فتوکاتالیست استفاده می‌شود. در این تحقیق، تأثیر دو پارامتر شامل مش سایز مربوط به توری و نسبت‌های اجزای سازنده‌ خوراک CO۲: CH۴: He بر روی کارایی فرایند مورد بررسی قرار گرفته و روش یک متغیر در یک زمان، برای طراحی آزمایشات استفاده می‌شود و در نهایت با بررسی نتایج به‌ دست آمده از آزمایشات، شرایط بهینه فرایند به‌ دست می‌آید.

نتایج این تحقیق، ۲۷.۹ درصد و ۳۳.۴ درصد تبدیل را به ترتیب برای دی‌اکسیدکربن و متان تحت شرایط بهینه نشان می‌دهد که بیانگر کارایی بسیار مطلوب فتوکاتالیست نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم نشست داده شده بر روی توری برای تبدیل همزمان دی‌اکسید کربن و متان است.

همچنین آنالیز محصولات به‌ وسیله‌ FTIR در شرایط بهینه، بیانگر تولید مشتقات فرمات و استات بوده و عدم تولید محصول در عدم حضور نور UV دلیل بر فتوکاتالیستی بودن این فرایند است. با توجه به نتایج به‌ دست آمده از آزمایشات، سیستم فتوکاتالیستی ساخته‌ شده در این کار تحقیقاتی دارای کارایی بسیار مطلوب در مقیاس آزمایشگاهی است و این قدم مهمی در جهت ساخت فتوراکتور با ظرفیت تبدیل دی‌اکسیدکربن و متان اتمسفریک به مواد شیمیایی در مقیاس صنعتی محسوب می‌شود.

نتایج این کار تحقیقاتی که توسط مریم ترابی مرجین، دکتر شهرام شریف‌نیا دانشیار و عضو هیات علمی گروه مهندسی شیمی گرایش کاتالیست دانشگاه رازی کرمانشاه، دکتر سید نظام‌الدین حسینی عضو هیات علمی مجتمع تحقیقاتی و تولیدی انستیتو پاستور ایران و ندا یزدانپور کارشناس ارشد مهندسی شیمی صورت گرفته، در مجله The Taiwan Institute of Chemical Engineers منتشر شده است.