چرا در هر زمان فقط یک آزمایش انجام دهید در حالی که می توانید ده آزمایش انجام دهید؟ محققان Empa یک سیستم خودکار توسعه داده اند که به آنها اجازه می دهد تا کاتالیزورها، الکترودها و شرایط واکنش برای الکترولیز CO2 را تا ده برابر سریعتر بررسی کنند. این سیستم با یک نرم افزار منبع باز برای تجزیه و تحلیل داده ها انجام می شود.
اگر سوخت فسیلی را با کمی اکسیژن مخلوط کنید و یک جرقه به آن اضافه کنید، سه چیز تولید می شود: آب، دی اکسید کربن گرم کننده آب و هوا و انرژی زیاد. این واکنش شیمیایی اساسی در هر موتور احتراقی، خواه با بنزین، بنزین یا نفت سفید کار کند، صورت می گیرد. در تئوری، این واکنش را می توان معکوس کرد: با افزودن انرژی (تجدیدپذیر)، CO2 آزاد شده قبلی می تواند دوباره به سوخت (مصنوعی) تبدیل شود.
این ایده کلیدی پشت ابتکار مشترک SynFuels توسط هیئت ETH بود. محققان در Empa و موسسه Paul Scherrer (PSI) سه سال روی راه‌هایی برای تولید سوخت‌های مصنوعی معروف به سوخت ترکیبی (synfuels) که به‌طور اقتصادی و کارآمد از CO2 کارکردند با این حال، این واکنش با چالش هایی همراه است: برای مثال، الکترولیز CO 2 فقط سوختی را که قبلاً سوزانده شده بود به دست نمی آورد. بلکه می توان بیش از 20 محصول مختلف را به طور همزمان تشکیل داد و جدا کردن آنها از یکدیگر دشوار است.
ترکیب این محصولات را می توان به روش های مختلفی کنترل کرد، به عنوان مثال از طریق شرایط واکنش، کاتالیزور مورد استفاده و ریزساختار الکترودها. تعداد ترکیب های ممکن بسیار زیاد است و بررسی هر کدام به صورت جداگانه بسیار طولانی خواهد بود. دانشمندان چگونه باید بهترین را پیدا کنند؟ اکنون محققان Empa این روند را تا 10 برابر سرعت بخشیده اند.
به عنوان بخشی از پروژه SynFuels، محققان به رهبری Corsin Battaglia و Alessandro Senocrate از آزمایشگاه Empa’s Materials for Energy Conversion سیستمی را توسعه داده اند که می تواند برای بررسی حداکثر ده شرایط مختلف واکنش و همچنین مواد کاتالیزور و الکترود به طور همزمان مورد استفاده قرار گیرد. محققان به تازگی طرح اولیه سیستم و نرم افزار همراه آن را در مجله Nature Catalysis منتشر کرده اند.
این سیستم از ده “راکتور” تشکیل شده است: محفظه های کوچک با کاتالیزورها و الکترودهایی که واکنش در آنها انجام می شود. هر راکتور از طریق صدها متر لوله به چندین ورودی و خروجی گاز و مایع و ابزارهای مختلف متصل است. پارامترهای متعددی به طور کامل به صورت خودکار ثبت می شوند، مانند فشار، دما، جریان گاز و محصولات واکنش مایع و گاز – همه با وضوح زمانی بالا.
الساندرو سنوکرات، محقق فوق دکتری Empa، می گوید: «تا آنجا که ما می دانیم، این اولین سیستم در نوع خود برای الکترولیز CO 2 است. این تعداد زیادی مجموعه داده با کیفیت بالا به دست می دهد که به ما در انجام اکتشافات سریع کمک می کند. زمانی که این سیستم در حال توسعه بود، برخی از ابزارهای لازم حتی در بازار موجود نبود. با همکاری شرکت Agilent Technologies، محققان Empa اولین دستگاه کروماتوگرافی مایع آنلاین را توسعه دادند که محصولات واکنش مایع را در زمان واقعی در طول CO شناسایی و کمیت می کند
انجام آزمایشات ده برابر سریعتر نیز ده برابر داده تولید می کند. به منظور تجزیه و تحلیل این داده ها، محققان یک راه حل نرم افزاری ایجاد کرده اند که آنها را به صورت منبع باز در اختیار دانشمندان سایر موسسات قرار می دهند. آنها همچنین می خواهند خود داده ها را با سایر محققان به اشتراک بگذارند. کورسین باتاگلیا، رئیس آزمایشگاه تبدیل مواد برای انرژی امپا، توضیح می‌دهد: «امروزه، داده‌های تحقیقاتی اغلب به محض انتشار نتایج در کشو ناپدید می‌شوند. یک پروژه تحقیقاتی مشترک بین Empa، PSI و ETH زوریخ، که نام PREMISE را یدک می‌کشد، با هدف جلوگیری از این امر انجام می‌شود: Battaglia می‌گوید: «ما می‌خواهیم روش‌های استانداردی برای ذخیره‌سازی و اشتراک‌گذاری داده‌ها ایجاد کنیم. سپس سایر محققان می توانند از داده های ما بینش جدیدی به دست آورند و بالعکس.
دسترسی آزاد به داده های تحقیقاتی نیز در اولویت دیگر فعالیت های تحقیقاتی آزمایشگاه تبدیل مواد برای انرژی است. این شامل مرکز ملی صلاحیت در تحقیقات NCCR Catalysis است که بر روی شیمی پایدار تمرکز دارد. سیستم جدید الکترولیز CO 2 موازی قرار است نقش مهمی در فاز دوم این پروژه ملی در مقیاس بزرگ ایفا کند، هم با داده های تولید شده و هم دانشی که در اختیار سایر موسسات تحقیقاتی سوئیس قرار می گیرد. برای این منظور، محققان Empa به اصلاح سخت افزار و نرم افزار در آینده ادامه خواهند داد.
Materials provided by Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA). Note: Content may be edited for style and length.
