ثاني أكسيد الكربون كوقود؟ اكتشاف محفز يحول الانبعاثات إلى فرصة

الميثانول هو مادة أساسية للعديد من المنتجات الكيميائية، بما في ذلك البلاستيك والوقود. غالبًا ما يُوصف بأنه “مقدمة شاملة لإنتاج مجموعة واسعة من المواد والكيماويات”، وهو في الأساس “السكين السويسري في الكيمياء”، كما أشار خافيير بيريز-راميريز، أستاذ هندسة التحفيز في ETH زيورخ.

يساهم هذا السائل بدور أساسي في الانتقال إلى إنتاج مستدام للمنتجات الكيميائية والوقود، ولكن فقط إذا تم توليد الطاقة المستخدمة لإنتاج الهيدروجين وتشغيل التحفيز بشكل مستدام. في هذه الحالة، يمكن إنتاج الميثانول في النهاية بطريقة محايدة مناخيًا، مما يوفر وسيلة صديقة للبيئة لاستخدام ثاني أكسيد الكربون (CO2) من الغلاف الجوي.

مع ذلك، فإن إنتاج الميثانول التقليدي غير مستدام إلى حد كبير، حيث يتم إنتاج الغالبية العظمى منه من الوقود الأحفوري، مما يؤدي إلى انبعاثات عالية من غازات الدفيئة (GHG).

قد لا يكون هذا هو الحال بعد الآن، حيث طور العلماء من ETH زيورخ طريقة لتصنيع الميثانول قد تشكل أساسًا لصناعة كيميائية خالية من الوقود الأحفوري. نُشر الدراسة في مجلة Nature وتفصل كيف يمكن إنتاج الكحول السائل من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون باستخدام ذرات معدنية فردية كمحفزات.

مع استمرار العلماء في استكشاف طرق لجعل التفاعلات الكيميائية أكثر كفاءة باستخدام المحفزات، قد يتيح هذا الأسلوب الجديد من باحثي ETH زيورخ أيضًا استخدامًا أكثر اقتصادًا للمعادن النادرة والمكلفة.

من خلال وضع ذرات إنديم معزولة على مادة داعمة، طور الباحثون محفزًا يمكنه تحويل CO2 و H2 إلى ميثانول بكفاءة أعلى بكثير.

اختلال الكربون يخلق تحديات وفرص

ثاني أكسيد الكربون (CO2) هو غاز عديم اللون والرائحة وغير سام يلعب دورًا حيويًا في الأنظمة الطبيعية للأرض. تستخدم النباتات CO2 أثناء عملية التمثيل الضوئي لإنتاج مركبات غنية بالطاقة وتطلق الأكسجين كمنتج ثانوي. هذه العملية أساسية لبقاء الإنسان. كما يشارك CO2 في دورة الكربون العالمية، حيث تتحرك ذرات الكربون باستمرار بين الغلاف الجوي وسطح الأرض والكائنات الحية.

على الرغم من أهميته الطبيعية، يعمل CO2 كغاز دفيئة مهم. فهو يحبس حرارة الشمس في الغلاف الجوي، مما يخلق تأثيرًا دافئًا يحافظ على درجات حرارة مناسبة للحياة. بدون أي غازات دفيئة، ستكون الأرض باردة جدًا للسكن. ومع ذلك، فإن الارتفاع في تركيزاته يزيد من هذا الاحترار، مما يدفع ظاهرة الاحتباس الحراري وتغير المناخ.

يتنقل الكربون باستمرار عبر عدة مخازن: الصخور والرواسب والغلاف الجوي والكائنات الحية. يعاد إلى الغلاف الجوي عبر التنفس، وتحلل الكائنات، والانفجارات البركانية، والحرائق. ومع ذلك، تهيمن الأنشطة البشرية الآن على هذا التوازن. منذ بدء التصنيع في أوائل القرن التاسع عشر، أدت تنمية الأراضي وحرق الوقود الأحفوري إلى انبعاثات كربونية تفوق بكثير ما يمكن للمصارف الطبيعية امتصاصه. نتيجة لذلك، ارتفعت تركيزات CO2 في الغلاف الجوي بشكل حاد وتستمر في التسارع.

وصل إجمالي انبعاثات CO2 العالمية من الوقود الأحفوري والصناعة إلى 38.11 مليار طن متري (GtCO2) في عام 2025، بزيادة أكثر من 69٪ منذ عام 1990، وفقًا لبيانات Statista. تُعد الصين أكبر مساهم في هذه الانبعاثات العالمية لغازات الدفيئة، تليها الولايات المتحدة.

أدى التصنيع والنمو الاقتصادي السريع في العقود الأخيرة إلى زيادة تقريبًا بنسبة 450٪ في انبعاثات CO2 في الدولة الآسيوية خلال الثلاثة عقود والنصف الماضية، بالمقابل انخفاض بنسبة 6.1٪ في الولايات المتحدة، رغم أن الدولة الأمريكية لا تزال أكبر ملوث كربوني في التاريخ.

تسبب الحرب الأمريكية الإسرائيلية على إيران في توليد ما يقرب من 5 ملايين طن من انبعاثات غازات الدفيئة في أول أسبوعين لها. بينما تستمر انبعاثات CO2 العالمية في الارتفاع، تضعفت مصارف الكربون الأرضية والبحرية بنحو 15٪ خلال العقد الماضي، وفقًا لمشروع الكربون العالمي. ومع ذلك، وجد أن مصرف الكربون الأرضي، أي امتصاص النباتات والتربة لـ CO2، يتعافى إلى قوته قبل ظاهرة النينيو بعد بضع سنوات ضعيفة بشكل غير عادي.

في الوقت نفسه، وجدت دراسة نُشرت في مجلة Nature² أن تراجع مصارف الكربون ساهم بنحو 8٪ في ارتفاع تركيز CO2 في الغلاف الجوي منذ عام 1960. كما أن امتصاص ثاني أكسيد الكربون خفض درجة حموضة المحيط بمقدار 0.1 وحدة، مما زاد من حموضته بنسبة 30٪.

لذا، مع إطلاق الأنشطة البشرية المزيد من CO2 إلى الغلاف الجوي أكثر مما تستطيع العمليات الطبيعية إزالته، يستمر تركيز ثاني أكسيد الكربون في الارتفاع وتحطيم أرقام قياسية جديدة، مما يخلق حاجة ملحة لمعالجة مشكلة انبعاثات CO2.

إحدى الطرق لمعالجة هذه المشكلة الخطيرة هي الانتقال إلى الطاقة المتجددة. بينما توفر الطاقة الشمسية والرياح والطاقة المائية والطاقة الحرارية الأرضية والكتلة الحيوية حلولًا واعدة، فإن هذا الانتقال عملية بطيئة وطويلة الأمد، تواجه تكاليف رأس مال أولية مرتفعة، واحتياجات بنية تحتية، وتحديات تقنية.

تشمل الطرق الأخرى اعتماد النقل المستدام، وتعزيز كفاءة الطاقة، وإزالة الكربون الموجود من خلال التشجير وإدارة الأراضي.

كل هذه حلول واعدة، ولكن ماذا لو استطعنا التقاط ثاني أكسيد الكربون مباشرة من البيئة ثم استخدامه كمادة خام؟ ماذا لو حولنا هذا الغاز الدفيء الرئيسي إلى وقود؟ سيكون ذلك اختراقًا في تكنولوجيا المناخ والطاقة، حيث سيساعد ليس فقط على تقليل الاحترار العالمي بل أيضًا على تلبية الطلب العالي على الطاقة في العالم.

قامت عدة دراسات باستكشاف طرق تحويل CO2 إلى وقود. هذه العملية محايدة للكربون لأن الوقود ينتج نفس كمية CO2 عند احتراقه. تتضمن التقاط ثاني أكسيد الكربون واستخدام الطاقة المتجددة لتحويله إلى وقود هيدروكربوني مثل الميثانول والديزل والبنزين عبر طرق كيميائية مثل الهدرجة التحفيزية أو الاختزال الكهروكيميائي.

يبرز الميثانول كأحد أكثر المسارات عملية وقابلة للتوسع لاستغلال CO2، بفضل توافقه مع البنية التحتية القائمة وتعدد استخداماته عبر الصناعات.

الميثانول (CH3OH) هو كحول عديم اللون، قابل للاشتعال، وسام للغاية يُطلق إلى البيئة أثناء الاستخدامات الصناعية وطبيعيًا من قبل الميكروبات والنباتات والغازات البركانية. إذا تم ابتلاعه أو امتصاصه، فإنه يشكل مخاطر صحية كبيرة، بما في ذلك العمى، وفشل الأعضاء، أو الموت.

يُستخدم هذا المركب الكيميائي السائل كمضاد للتجمد، ومذيب صناعي، ومادة أولية للكيماويات لإنتاج البلاستيك، والدهانات، والرغوات، والراتنجات، والمنتجات الصيدلانية، والوقود. كما يعمل كحامل للطاقة لتخزين الكهرباء المتجددة، ومُضاف للوقود التقليدي، ووقود سائل بديل. كموارد طاقة “أنظف”، يُستخدم الميثانول لتشغيل الحافلات، والسيارات، والشاحنات، والسفن، والغلايات، وخلايا الوقود. كما يُستَخدم لإنتاج إيثيلين ديميثيل (DME)، وهو وقود متجدد آخر.

على الرغم من وعوده، لا يزال توسيع إنتاج الميثانول من CO2 يواجه تحديات، بما في ذلك متطلبات الطاقة العالية، وتوافر الهيدروجين، والحاجة إلى محفزات ذات تكلفة فعالة. يجري البحث المستمر تحقيق تقدم سريع في هذه الجوانب.

انقر هنا لتعرف كيف يمكن للضوء إعادة توجيه ثاني أكسيد الكربون.

الابتكار بالذرة المفردة يفتح باب تحويل CO2 بكفاءة

من أجل إنتاج الميثانول من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين، حقق باحثون من ETH زيورخ تقدمًا في أبحاث المحفزات.

اُستخدمت المحفزات منذ العصور القديمة. على سبيل المثال، الخميرة المستخدمة في صنع الخبز تحتوي على محفزات طبيعية (إنزيمات) تساعد على تحويل الدقيق إلى خبز. مع مرور الوقت، أدت التطورات في المحفزات إلى إنتاج بلاستيك قابل للتحلل، وأدوية جديدة، ووقود أكثر أمانًا للبيئة.

المحفز هو مادة تساعد على تسهيل التفاعلات وجعلها أكثر كفاءة. هذه “مساعدات التفاعل” تسرّع التفاعل الكيميائي أو تخفض الضغط أو الحرارة المطلوبة لبدء التفاعل، دون أن تُستهلك خلال التفاعل نفسه.

تحتاج التفاعلات الكيميائية إلى طاقة للبدء لأن الروابط بين الذرات في الجزيئات يجب أن تُعاد ترتيبها. قد تكون العقبة الطاقية صغيرة، مثل إشعال عود ثقاب، أو أعلى بكثير في العمليات الصناعية، مما يزيد التكاليف. تساعد المحفزات على خفض هذه الحاجز، وغالبًا ما تكون الأكثر فاعلية تحتوي على معادن، بما في ذلك المعادن النادرة والمكلفة.

أدى الاختراق الذي حققه الكيميائيون في ETH زيورخ إلى تطوير محفز يقلل بشكل كبير الحد الأدنى للطاقة المطلوبة لإنتاج الميثانول من CO2 والهيدروجين. حقق الباحثون استخدامًا فعالًا للغاية للإنديم بحيث تكون كل ذرة إنديم موقعًا نشطًا بحد ذاتها.

على عكس النهج السابق القائم على التجربة والخطأ في أبحاث التحفيز، يتيح المحفز المكتشف حديثًا تحليلًا أكثر دقة وفهمًا للتفاعلات التي تحدث على سطحه، مما يمهد الطريق لتصميم محفزات أكثر تحسينًا وعقلانية.

“محفزنا الجديد يتميز بهندسة ذرة مفردة، حيث تُثبت ذرات المعادن النشطة المعزولة على سطح مادة داعمة تم تطويرها خصيصًا.”

– بيريز-راميريز، مدير المركز الوطني للتميز في البحث (NCCR) للتحفيز

بينما المحفز المكتشف حديثًا هو ذرة مفردة، تحتوي المحفزات التقليدية على معادن على شكل تجميعات. هذه الجسيمات صغيرة جدًا، لكنها عادةً ما تحتوي على مئات إلى آلاف ذرات المعدن. العديد من هذه الذرات لا تشارك مباشرة في التفاعل. ولكن إذا تمكنت هذه الذرات من العمل على المستوى الفردي، فإنها يمكن أن تكون أكثر كفاءة بكثير حيث يمكن للعلماء الاستفادة بشكل أفضل من العناصر الكيميائية النادرة والمكلفة، مما يسمح باستخدام اقتصادي للمعادن الثمينة.

كما أن خصائص التحفيز للذرات المعزولة تختلف عن التجميعات.

أشار بيريز-راميريز، الذي يعمل على تحسين المحفزات لإنتاج الميثانول القائم على CO2 منذ أكثر من عقد ونصف ويحمل عدة براءات اختراع في المجال، أن “الإنديم يُستخدم بالفعل في هذا المحفز لأكثر من عقد”. “في دراستنا، نظهر أن ذرات الإنديم المعزولة على أكسيد الهافنيوم تسمح بتصنيع ميثانول قائم على CO2 أكثر كفاءة من الإنديم في شكل جزيئات نانوية تحتوي على أعداد كبيرة من الذرات.”

الإنديم (In) هو معدن فضي أبيض يعتمد إمداده أساسًا على صناعة تعدين الزنك، حيث يُعد الإنديم منتجًا فرعيًا صغيرًا. تُعد الصين (40٪) أكبر منتج للإنديم وتتحكم في أغلب احتياطيات الإنديم العالمية. يُستخدم هذا المعدن على نطاق واسع في أفلام أكسيد الإنديم-القصدير، والسبائك، والمواد شبه الموصلة المطلوبة لخلايا الطاقة الشمسية، واللحام، وشاشات العرض المسطحة، والLEDs، ومواد الواجهة الحرارية، والبطاريات.

لوضع ذرات إنديم مفردة على سطح أكسيد الهافنيوم بدقة، طور الفريق عدة مسارات تركيبية جديدة. كان جزء أساسي من هذا العمل، الذي تم بالتعاون مع مؤسسات بحثية أخرى، هو تصميم مادة الدعم لتوفير بيئة ثابتة ولكن تفاعلية للذرات.

شمل أحد المسارات حرق المواد الأولية في لهب عند 2000 إلى 3000 درجة مئوية قبل تبريدها بسرعة. هذا يحافظ على الإنديم على السطح ويضمن دمجه بقوة.

أظهر دمج ذرات المحفز في أكسيد الهافنيوم المقاوم للحرارة أن محفزات الذرة المفردة يمكنها تحمل ظروف قصوى، بما في ذلك درجات حرارة وضغوط مرتفعة. هذه المتانة مهمة لأن تصنيع الميثانول من غاز CO2 والهيدروجين يتطلب درجات حرارة تصل إلى 300°C وضغوط تعادل حوالي 50 مرة الضغط الجوي العادي.

أفادت الدراسة أن “أكاسيد الإنديم-الهافنيوم النانوية المُصنعة عبر التحليل الحراري بالرش الناري تحقق إنتاجية ميثانول أعلى بنسبة تصل إلى 70٪ مقارنةً بأكاسيد الإنديم-الزرنيخ، مع أكبر الزيادات تُلاحظ في ذرات الإنديم المفردة”.

فائدة أخرى للمحفزات ذات الذرات المعزولة هي أن العلماء يمكنهم تحليل آليات التفاعل مع إشارات متداخلة أقل بكثير، مما يوفر رؤى أوضح. كانت المحفزات الحالية المصنوعة من الجسيمات النانوية صعبة الدراسة إلى حد ما. لقد كانت في الأساس صندوقًا أسود. بينما تحدث التفاعلات فقط على عدد قليل من الذرات على السطح، تأتي العديد من إشارات القياس من ذرات داخل الجسيمات التي لم تشارك في التفاعل، مما يجعل تفسير ما يحدث أصعب.

“لم يكن تطوير محفز الميثانول والتحليل المفصل للآلية ممكنًا دون هذه الخبرة متعددة التخصصات.”

– بيريز-راميريز

الاستثمار في إعادة تدوير الكربون

Celanese Corporation (CE ) هي شركة عالمية للمواد الكيميائية والمواد المتخصصة تنتج بوليمرات هندسية. تشمل قطاعات أعمالها الرئيسية المواد الهندسية وسلسلة الأسيتيل.

ومن الجدير بالذكر أن الشركة تشارك مباشرة في تحويل CO2 إلى ميثانول. من خلال مشروع Fairway Methanol، وهو مشروع مشترك مع شركة Mitsui & Co اليابانية، ستقوم Celanese بالتقاط حوالي 180,000 طن من CO2 سنويًا وإنتاج 130,000 طن من الميثانول منخفض الكربون كل عام.

مؤخرًا، حصلت الشركة على شهادة البصمة الكربونية (CFC) لدرجات Hostaform و Celcon POM ECO-C في مواقع الإنتاج بفرانكفورت وتكساس، نتيجة لاستثمار Celanese في تكنولوجيا التقاط واستخدام الكربون (CCU) لتقليل المدخلات القائمة على الوقود الأحفوري دون التأثير سلبًا على أداء المواد.

مع قيمة سوقية تبلغ 7 مليارات دولار، يتم تداول أسهم Celanese حاليًا عند 62.47 دولار، بارتفاع 48٪ منذ بداية العام. شهدت أسهم الشركة اتجاهًا هبوطيًا خلال العامين الماضيين بعد تجاوزها علامة 170 دولار في أوائل 2024، ثم الانخفاض إلى حوالي 35 دولار في أواخر العام الماضي، وتظهر الآن انتعاشًا متجددًا.

لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة -10.40 ومؤشر السعر إلى الربحية (P/E) (TTM) -6.02. تدفع Celanese عائد توزيعات بنسبة 0.19٪.

فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، أبلغت عن انخفاض صافي المبيعات بنسبة 7٪ إلى 9.5 مليار دولار للعام الكامل 2025، بسبب انخفاض بنسبة 4٪ في كل من السعر والحجم. بلغت خسارتها التشغيلية 786 مليون دولار، بينما كان الخسارة المخففة وفق GAAP للسهم $10.44، وكانت الأرباح المعدلة للسهم $3.98.

أفادت Celanese عن طلب أقل من المعتاد في الأسواق النهائية الرئيسية مثل الدهانات، والطلاءات، والسيارات، والبناء لكنها ظلت مركزة على زيادة التدفق النقدي لتحسين التكاليف، وتسريع تقليل الديون، ودفع النمو في الإيرادات.

“أداءنا السنوي الكامل يُظهر قوة خطط عملنا والتنفيذ المنضبط في بيئة صعبة.”

– الرئيس التنفيذي سكوت ريتشاردسون

في عام 2025، حققت الشركة تدفقًا نقديًا تشغيليًا قدره 1.1 مليار دولار وأبلغت عن تدفق نقدي حر قدره 773 مليون دولار.

هذا التدفق النقدي، إلى جانب أكثر من 120 مليون دولار في خفض التكاليف، وإكمال عملية بيع Micromax، وإعادة تمويل الاستحقاقات القريبة الأجل، وإطلاق برامج لدفع النمو وتعزيز خط أنابيب EM، ساعد الشركة على تحقيق “تقدم كبير ضد أولوياتنا في تقليل الديون، تحسين التكاليف، والنمو في الإيرادات”، وفقًا لريتشاردسون. في الربع الأخير، أبلغت Celanese عن صافي مبيعات قدره 2.2 مليار دولار، وربح تشغيلي قدره 93 مليون دولار، وأرباح معدلة للسهم قدرها 0.67 دولار.

فيما يتعلق بالربع الحالي، تتوقع الشركة تغيرًا طفيفًا في الطلب لكنها تتوقع تحسينات موسمية معتدلة في الأحجام، وبالتالي تتوقع أن تكون أرباح السهم المعدلة للربع الأول بين 0.70 و0.85 دولار.

“نتوقع أن يكون لدينا عام قوي آخر من توليد النقد مع تدفق نقدي حر مستهدف يتراوح بين 650 إلى 750 مليون دولار. على الرغم من أن البيئة الماكروية لا تزال غير مؤكدة، فقد أنشأنا زخمًا إلى الأمام. نعتقد أن الإجراءات الحاسمة التي نتخذها تضع Celanese لتستفيد بشكل ملحوظ من التعافي النهائي.”

– ريتشاردسون

أحدث أخبار وتطورات سهم شركة Celanese Corporation (CE)

الخلاصة

تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود يمثل فرصة هامة لتحويل تحدي مناخي إلى أصل اقتصادي. ومع الابتكارات مثل محفزات الذرة المفردة التي تحسن الكفاءة بشكل كبير، يصبح مسار إنتاج الميثانول من CO2 أكثر قابلية للتنفيذ من أي وقت مضى. ولكن بالطبع، سيتطلب توسيع هذا الحل طاقة متجددة وفيرة، وإنتاج هيدروجين بتكلفة معقولة، وإطارات سياسات داعمة. بمجرد توافق جميع هذه العوامل، يمكن أن يتحول CO2 من أحد أكبر التحديات البيئية في العالم إلى أحد أهم موارده.

المراجع

1. Zhang, X., Liu, Y., Wang, C., Li, J., Chen, Z., Zhao, H., Xu, L., Sun, K., Zhou, Q., Yang, F., Wu, T., Guo, S., Li, Y., Huang, J., Deng, D., Bao, X. & Li, C. ذرات الإنديم المفردة تمكّن من هدرجة CO2 بكفاءة إلى ميثانول. Nature Nanotechnology (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02135-y
2. Friedlingstein, P., Le Quéré, C., O’Sullivan, M., Hauck, J., Landschützer, P., Luijkx, I.T., Li, H., van der Woude, A., Schwingshackl, C., Pongratz, J., Regnier, P., Andrew, R.M., Bakker, D.C.E., Canadell, J.G., Ciais, P., Gasser, T., Jones, M.W., Lan, X., Morgan, E., Olsen, A., Peters, G.P., Peters, W., Sitch, S. & Tian, H. تأثير المناخ الناشئ على مصارف الكربون في ميزانية كربونية موحدة. Nature 649, 98–103 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09802-5