مقاله ای از حمید رقمی/ از کربن دی اکسید به اسِت آلدهید / در مسیر دست یابی به یک شیمی ِصنعتی سبزتر

بسپار/ایران پلیمر (با این تحول به دو معضل مهم زیست محیطی بطور همزمان پاسخ داده می شود)
ابتدا خاطره ای از دوران دانشجویی
به روال مرسوم در آلمان درآخرین ماههای دوران تحصیل هر ازگاهی یک گردش دسته جمعی با هم گروهی ها – که درحال کار روی پروژه های دکترا یا کارشناسی ارشد بودند- برگزار می شد. در گروهی که اینجانب نیز در آن بودم، گروه خانم پروفسورکاپوانو گِرِزر (Capuano Gräser ) پروفسور شیمی آلی – عمدتاً ترکیبات هتِروسیکل- نیز این کار انجام شد. ما که 12 نفر بودیم برای یک مسافرت دو روزه به منطقه فالس (Pfalz ) آلمان رفتیم، منطقه ای که تاکستان ها و کارگاه های سنتی و نیمه صنعتی شراب سازی در آن به وفور وجود داشت (و دارد). روز را با گردش- بیشتر در تاکستان ها، شراب سازی های سنتی و جنگل ها- سپری می کردیم و غروب به هتل بر می گشتیم. در رستوران هتل گرد هم می آمدیم و قبل از صرف شام در« میز گردی» شرکت می کردیم که در آن موضوعات روز و پیشنهادی از طرف شرکت کنندگان، به بحث گذاشته می شد. آن روزها قیمت های جهانی نفت رو به افزایش بود و بحث در مورد آن و چگونگی تصمیمات سازمان اوپک بسیار داغ بود. موضوع اصلی « میز گرد » آنشب نیز به قیمت های رو به افزایش نفت و تبعات آن، اختصاص یافت. اکثر افراد شرکت کننده در بحث نظرات خود را بیان کردند. بحث ها به مرور داغ تر می شدند تا اینکه بالاخره به « مناظره ای دو طرفه »تبدیل شد. یک طرف یکی از دانشجویان (هم) گروه بود با ” گرایشات راستِ ( نسبتاً ) افراطی ” که معمولاً در مباحث اجتماعی نیز بسیار فعال بود و طرف دیگر، اینجانب بودم که در آن روز ها در مباحث اجتماعی نیز کم و بیش شرکت می کردم.
در میانه بحث به نوعی” آغشته به کمی شوخ طبعی” عنوان کردم:
” صبر کنید، اگر تصمیمات اوپک به افزایش قابل توجه قیمت نفت بیانجامد و ما ( ایران) شیر های نفت ورودی به جهان از جمله اروپا را کمی محکم تر ببندیم، شما مجبور خواهید شد زمستان های بسیار سردی را تجربه کنید” . آن دانشجوی طرف بحث که نام او را بیاد ندارم در جواب من گفت ” شما ممکن است این کار را انجام دهید ولی من به شما قول می دهم که ما در آینده از شرّ شما و « نفتتان» خلاص خواهیم شد” وی همچنین ادامه داد: “میلیارد ها تن « ذغال در آسمان» وجود دارد و ما در حال حاضر(فقط) دانش استفاده از آن را نداریم، ولی یقیناً روزی فرا خواهد رسید که راه استفاده از آن را پیدا کنیم و در آن روز شما دیگر با « نفتتان» حرفی برای گفتن نخواهید داشت. گیاهان میلیون ها ( وشاید بیشتر) سال است که « این کار » را می کنند و ما (هم) بالاخره به جزئیات و رازهای « فتوسنتز » دست پیدا خواهیم کرد. کربن- یا همان ذغال- عنصر اصلی درمحصولات فتوسنتز، از آتمسفر و سایر مواد از زمین برداشت می شود، کافی ست ما فقط به فرایند آن اشراف پیدا کنیم “!

*********************************************

اکنون بیش از 45 سال از آن شب و آن بحث ها گذشته است و آن گفته های- آنروزها« رویا گونه» آن دانشجو- تقریباً به واقعیت تبدیل شده است.
” استفاده از کربن موجود در آتمسفر به عنوان « ماده اولیه » برای سنتز مواد شیمیایی اعم از انواع « سوخت » تا …”
در اینجا ابتدا به تعدادی از عنوان های مقالات منتشر شده در منابع معتبر از سال 2023 تا 2025 در خصوص موضوع فوق اشاره خواهم کرد و سپس موضوع اصلی این پست- از کربن دی اکسید تا اسِت آلدهید- را با هم مرور می کنیم .
1-
Von CO2 zu Acetaldehyd, Auf dem Weg zu einer grüneren industriellen Chemie
از کربن دی اکسید (CO2 ) تا آسِت آلدهید / در مسیر دست یابی به یک شیمی ِصنعتی سبزتر
تاریخ انتشار : 07.01.2025
2-
Umwandlung von CO2 in Biokunststoffe
CO2BioClean eröffnet innovative Pilotanlage im Industriepark Höchst
تبدیل کربن دی اکسید به مواد مصنوعی زیستی / ( افتتاح یک واحد پایلوت در پارک صنعتی حوخست)
تاریخ انتشار : 17.01.2025
3-
Upcycling von überschüssigem Kohlendioxid mit winzigen Mikroben
بِه‌یافت دی اکسید کربن اضافی با میکروب های ( بسیار) کوچک
تاریخ انتشار : 03.09.2024
4-
Kohlendioxid mithilfe von Bakterien in nützliche Chemikalien umwandeln
Elektrolyse und Fermentation kombinieren, um aus CO2 nutzbare Ausgangssubstanzen herzustellen.
تبدیل کربن دی اکسید به کمک باکتری ها به مواد شیمیایی
ترکیبی از (روش های) الکترولیز و تخمیر برای تبدیل دی اکسید کربن ( CO2) به مواد اولیه شیمیایی
تاریخ انتشار : 08.04.2024
5-
Treibstoffe und Chemikalien aus CO₂
تهیه انواع سوخت و مواد شیمیایی از کربن دی اکسید
تاریخ انتشار : 28.06.2024
6-
Startschuss für erste Pilotanlage zur kosteneffizienten Produktion von grünem Methanol
Start-up C1 Green Chemicals AG und…
آغاز به کار اولین کارخانه ( پایلوت) آزمایشی برای تولید مقرون به صرفه متانول سبز
تاریخ انتشار : 22.11.2023
7-
Der Aufstieg von Kohlendioxid als erneuerbare Kohlenstoffquelle
Kapazitäten von mehr als 1,3 Millionen Tonnen für Produkte auf CO2-Basis sind bereits vorhanden und werden sich bis 2030 voraussichtlich vervierfachen
ظهور کربن دی اکسید به عنوان یک منبع برای کربن تجدید پذیر
ظرفیت بیش از 1.3 میلیون تن برای محصولات مبتنی بر CO2 در حال حاضر وجود دارد و تا سال 2030 چهار برابر می شود.
تاریخ انتشار : 19.04.2023
8-
Flugzeuge nachhaltig antreiben
PSI und Schweizer Start-up starten Pilotanlage für synthetisches Kerosin
تامین سوخت (انرژی) هواپیما به صورت پایدار ؛
«پی اس آی» و استارت آپ سوئیسی پایلوت تولید سوخت ( سنتزی) هواپیما را راه اندازی کردند.
( PSI : Das Paul Scherrer Institut )
تاریخ انتشار : 20.02.2023

از کربن دی اکسید به اسِت آلدهید
** در مسیر دست یابی به یک شیمی ِصنعتی سبزتر **

گروهی از محققان از دانشگاه صنعتی لوزان (*EPFL )، دانشگاه کپنهاگ و دانشگاه شانگهای موفق شدند نوعی کاتالیزاتور از جنس مس بسازند که توانایی تبدیل کربن دی اکسید به اسِت آلدهید، یک ماده شیمیایی بسیار مهم را ارایه می دهد. این روش و فرایند می تواند در آینده روشی « سبز» و جایگزین برای سوخت های فسیلی و برخی مواد شیمیایی دیگر باشد.
(*EPFL : École Polytechnique Fédérale de Lausanne )
( Swiss Federal Technology Institute of Lausanne)
اسِت آلدهید (استالدهید! ) یک ماده شیمیایی بسیار مهم است که صنایع مختلف از عطر واُدوکلن گرفته تا مواد مصنوعی ( پلیمرهای آلی)تا داروسازی و… مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه تولید این ماده عمدتاً بر پایه اتیلن می باشد که یک ماده فسیلی است. (ضمناً ظرفیت تولید به روش فوق در سال 2009 در حدود 2 میلیون تن سالیانه بوده است )
روش تولید که به روش حوخست – واکر (“Höchst-Wacker-Verfahren”) معروف است و در کنار ماده اصلی یعنی اتیلن مقادیر قابل توجه ای اسید مانند کلر هیدریک اسید، مصرف می کند. این روشِ هنوز متداول نه تنها یک ” رَد پای کربنی ” بزرگ از خود بجا می گذارد، بلکه منابع « تجدید ناپذیر» زیادی را نیز مصرف می کند.
یک راه حل امیدوارکننده برای حل این معضل، اِحیا ء ( تبدیل) الکتروشیمیایی کربن دی اکسید (CO2) به محصولات مفید است . همچنین و از آنجایی که CO2 – از هر منبع- محصولی ست که به گرم شدن کره زمین کمک می کند، می تواند این روش و فرایند به دو مشکل زیست محیطی به طور همزمان پاسخ دهد، کاهش انتشار CO2 و تولید مواد شیمیایی ارزشمند.
کاتالیزورهای تک اتمی برای پروسه الکترو شیمیایی احیاء کربن دی اکسید:

یک کاتالیزاتور نوآورانه برای کارایی بیشتر
کاتالیزورهای مبتنی بر مس که قبل ها پتانسیل این دگرگونی- کربن دی اکسید به اسِت آلدهید- را نشان داده اند، اما تاکنون فاقد گزینش پذیری مناسب (selectivity) بوده اند، به این معنی که بجای اسِت آلدهید مورد نظر، مخلوطی از محصولات را تولید کرده اند.
اکنون محققان دست اندرکار این پروژه که متشکل از به (نوعی) یک کنسرسیوم دولتی- خصوصی (“با خصولتی” خودمان اشتباه گرفته نشود! )به رهبری سدریک دیوید کولن Cedric David Koolen از EPFLمی باشد، سایر اعضاء این گروه تحقیقاتی عبارتند از جک پدرسن Jack K Pedersen. از دانشگاه کپنهاگ و ون لو Wen Luo از دانشگاه شانگهای. آنها موفق گردیدند یک کاتالیزاتور جدید مبتنی بر مس را توسعه دهند که قادر است CO2 را به طور انتخابی و بسیار سلکتیو (selectiv) به اسِت آلدهید با بازدهی چشمگیر درحدود 92 درصد تبدیل کند.
این پیشرفت که در Nature Synthesis منتشر شده است، روشی سازگارتر با محیط زیست و پایدار برای تولید اسِت آلدهید ارائه می دهد و می تواند جایگزین فرآیند « واکر» (Wacker ) شود. کولن می گوید: “فرآیند واکر در 60 سال گذشته تا به امروز تقریباً بدون تغییر باقی مانده است و هنوز هم بر اساس همان شیمی اولیه است، ولی اکنون زمان برای یک پیشرفت سبز فرا رسیده است”

شیمی چقدر جذاب است
محققان با سنتز خوشه های کوچکی از ذرات مس- هر کدام حدود 1.6 نانومتر- را با استفاده از روشی به نام » « فرسایش جرقه» شروع کردند.در این تکنیک، الکترودهای مس در یک محیط گاز بی اثر تبخیر می شوند و این فرایند به محققان این اجازه و امکان را می دهد که اندازه ذرات را دقیقاً کنترل کنند. سپس خوشه‌های مس روی پایه‌های کربن بی‌حرکت می شوند تا یک کاتالیزاتور پایدار و قابل استفاده (مجدد) ایجاد گردد.
این تیم در آزمایشگاه، عملکرد کاتالیزاتور را با انجام یک سری واکنش های الکتروشیمیایی با CO2 در یک محیط کنترل شده آزمایش کرد، در این آزمایش با استفاده از یک سینکروترون – یک سیستم در مقیاس بزرگ که منبع نور بسیار روشنی تولید می کند- اطمینان حاصل شد که خوشه های مس به طور فعال CO2 را به اسِت آلدهید تبدیل می کند.
نتایج بدست آمده نشان دادند که خوشه‌های مس با 92 درصد گزینش پذیری(Selectivity ) اسِت آلدهید را در ولتاژ نسبتاً پایین به دست آوردند که برای بهره‌ وری انرژی بسیار مهم است. در یک تست استرس 30 ساعته، کاتالیزاتور پایداری بالایی را نشان داد و عملکرد خود را در چندین چرخه حفظ کرد، محققان همچنین دریافتند که ذرات مس ویژگی فلزی خود را در طول واکنش حفظ می‌کنند و این به طول عمر کاتالیزاتور کمک می‌کنند.
ون لو (Wen Luo )، یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید: ” آنچه واقعاً ما را شگفت‌زده کرد این بود که مس حتی پس از حذف پتانسیل و قرار دادن آن در هوا، ویژگی فلزی خود را ازدست نداد. معمولا سطح مس بسرعت اکسید می شود، به خصوص مس در ذرات کوچک. اما در آزمایش ما یک پوسته اکسیدی در اطراف خوشه تشکیل شدکه از بقیه فلز در برابر اکسیداسیون بیشتر محافظت می کند. و این قابلیت بازیافت مواد را توضیح می دهد. شیمی بسیار شگفت انگیز است”
کلید موفقیت
سوال اینجاست که “چرا کاتالیزاتور جدید از مس تا این حد- برای ما هدفدار-کار کرد؟ شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نشان دادند که خوشه‌های مس دارای یک پیکربندی خاص از اتم‌ها هستند که اتصال و تبدیل مولکول‌های CO2 را به گونه‌ای تقویت می‌کند که تولید اسِت آلدهید را نسبت به سایر محصولات ممکن مانند اتانول یا متان ترجیح می‌دهد.”
جک کی پدرسن (Jack K Pedersen )، یکی دیگر از نویسندگان این مقاله می گوید: “نکته مهم در مورد روش ما این واقعیت است که می توان آن را برای هر سیستم کاتالیزاتوری دیگری اعمال کرد. ما با محاسبات خود می‌توانیم به سرعت خوشه‌ها را از نظر ویژگی‌های امیدوارکننده غربال کنیم. چه برای کاهش CO2 یا الکترولیزآب، با فرسایش جرقه‌ای می‌توا نیم بدون زحمت، ماده جدید را تولید کرده و مستقیماً در آزمایشگاه تست کنیم و این بسیار سریع‌تر از چرخه آزمایشی-یادگیری-تکرار است. کاتالیزاتور جدید مس گام مهمی به سوی شیمی صنعتی سازگارتر با محیط زیست است و (در مقیاس بزرگ‌تر) می‌تواند جایگزین فرآیند واکر شود و در نتیجه نیاز به مواد پتروشیمی و در نتیجه انتشارگاز CO2 را کاهش دهد.حال و از آنجایی که اسِت آلدهید یک بلوک بزرگ شیمیایی برای بسیاری از مواد شیمیایی دیگر است، پتانسیل بوجود آمده به وسیله این تحقیق می تواند در صنایع متعدد دیگر، از داروسازی تا کشاورزی و.. مورد استفاده قرار گیرد”

وبلاگ حمید رقمی