تشجع المواد النانوية الإنتاج الكهروكيميائي للأمونيا

^{نجح الباحثون في الصين في تطوير مادة نانوية محفزة كهربائيًا تتكون من قلب أكسيد الفاناديوم مع غلاف نيتريد الفاناديوم مصمم لإعادة تدوير النيتروجين إلى مادة الأمونيا المهمة. ووجد الباحثون أنه يمكنهم ضبط النسبة بين القلب والقشرة من أجل تحسين كفاءة العملية والاستفادة منها}

^{[ترجمة د. موشيه نحماني]}

^{باعتبارها واحدة من أكثر المواد غير العضوية شيوعًا، تلعب الأمونيا دورًا مهمًا في الزراعة (لصنع الأسمدة)، وفي التركيب الكيميائي، ومؤخرًا كمادة لتخزين طاقة الهيدروجين. على عكس عملية هابر بوش [تفاعل تثبيت غاز النيتروجين مع غاز الهيدروجين، على سطح عامل محفز قائم على أكسيد الحديد. تُستخدم هذه العملية في الإنتاج الصناعي للأمونيا وسميت على اسم فريتز هابر وكارل بوش، اللذين اخترعا هذه الطريقة وطوراها. حصل فريتز هابر على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 1918 عن عملية إنتاج الأمونيا], إن الاختزال الكهروكيميائي للنيتروجين قادر على إنتاج الأمونيا في ظروف معتدلة، وبالتالي فهو مجال بحث كبديل عملي لعملية هابر-بوش.}

^{من أجل إعادة تدوير النيتروجين إلى الأمونيا، هناك حاجة إلى محفز كهربائي. يشجع هذا المحفز على امتصاص النيتروجين وتنشيطه، من أجل التغلب على الرابطة الثلاثية القوية بين النيتروجين والنيتروجين. يؤدي استخدام هذا المحفز أيضًا إلى تحسين حركية التفاعل الذي يتم فيه نقل ستة إلكترونات مقترنة بالبروتون لتحويل ثنائي النيتروجين إلى الأمونيا. إلى جانب هذه المزايا، لا يزال هناك عنق الزجاجة في إنتاج المحفز الكهربائي الذي يتميز بتفاعلية عالية وانتقائية عالية لتقليل النيتروجين.}

^{ومن أجل الحفاظ على التوازن بين التفاعلية والانتقائية قام الباحث يو وانغ من جامعة تشونغتشينغ (تشونغتشينغ) وقام فريقه البحثي بتطوير محفز كهربائي نانوي يتكون من نواة من أكسيد الفاناديوم مع غلاف من نيتريد الفاناديوم. وحاول الباحثون الاستفادة من خصائص كلتا المادتين؛ يمكن للنيتريدات المعدنية أن تبدأ بسهولة تفاعل أكسدة النيتروجين في موقع النتريد، والذي يمكن بعد ذلك تنشيطه بواسطة ذرات الأكسجين السالبة كهربيًا. القريبة من أجل انبعاث الأمونيا. ويقول الباحث الرئيسي: "إن تصميم قلب الأكسيد يضمن عدم خضوع المادة للتعطيل لفترة طويلة"، وذلك في ضوء حقيقة أن سطح ذرات الأكسجين غير مستقر في بيئة كهروكيميائية. تفوقت المادة النانومترية التي ابتكرها فريق البحث في الاختزال الكهروكيميائي للنيتروجين في إنتاج الأمونيا في المنحل بالكهرباء الحمضية. وتمكن الباحثون من إنتاج الأمونيا باستخدام ما يصل إلى ستين بالمائة (لكل مليجرام من المحفز) وبكفاءة تصل إلى خمسة وثلاثين بالمائة. بالإضافة إلى ذلك، أثبت المحفز أنه انتقائي للغاية لإنتاج الأمونيا، مقارنة بإنتاج الهيدرازين، وظل نشطًا حتى بعد خمسين ساعة من التحليل الكهربائي دون تغييرات هيكلية.}

^{كان تحسين سمك غلاف النتريد جانبًا مهمًا في تصميم المحفز الكهربائي، خاصة فيما يتعلق بمركز نطاق الرنين (د الفرقة) من المعدن (الذي يصف التفاعل بين المحفز والمادة المرفقة). على الرغم من أن غلاف النيتريد الأنحف كان لديه أعلى نطاق رنين، وبالتالي أقوى التفاعلات بين ثنائي النيتروجين والمادة الممتزة، فإن الفجوة الأكثر أهمية بين نطاقي التكافؤ والتوصيل تحد من نقل الشحنة وبالتالي الأداء الحفزي. يحقق السُمك الأمثل لقشرة النتريد توازنًا بين الحفاظ على فجوة نطاق عالية إلى حد ما مع الحفاظ على فجوة صغيرة بين مستويات طاقة التكافؤ ومستوى التوصيل، وذلك من أجل الحصول على نقل فعال للإلكترون وأداء كهروكيميائي جيد في نهاية المطاف.}

^{"إن نتائج بحثنا تقترب من الحد الأقصى لكفاءة طريقة الإنتاج الصناعي للأمونيا"، يعلق أحد الخبراء في هذا المجال. ويضيف أن مبادئ تصميم هذه المواد النانوية ذات القشرة الأساسية يمكن بالفعل استخدامها لتحقيق كفاءة أعلى.}     

^{المقال كاملا}

^{الأخبار عن الأبحاث}

^{رسم تخطيطي يصف العملية الجديدة [مجاملة: يو وانغ / جامعة تشونغتشينغ]}