أصبح إنتاج الأمونيا من النيتروجين الجوي أكثر بساطة بفضل المحفز المبتكر

استخدم الباحثون معرفتهم بالمواد النانوية ثنائية الأبعاد لتطوير طريقة "خضراء" لتخليق الأمونيا على نطاق صغير

[ترجمة د.نحماني موشيه]
نجح باحثون من جامعة رايس في تطوير طريقة غير عضوية لتخليق الأمونيا، وهي طريقة صديقة للبيئة وتسمح بإنتاج المادة الكيميائية المهمة عند الطلب وتحت ظروف معتدلة.

واستغل الباحث الرئيسي جون لو خصائص بلورة ثنائية الأبعاد يعرفها جيدا - ثاني كبريتيد الموليبدينوم - وحولها إلى عامل محفز عن طريق إزالة ذرات الكبريت من البنية الشبكية للبلورة مع استبدال معدن الموليبدينوم بالكوبالت. سمح هذا الاستبدال للمادة بتقليد العملية العضوية التي تستخدمها البكتيريا في الطبيعة لتحويل النيتروجين الجوي إلى أمونيا داخل الكائنات الحية، بما في ذلك البشر، الذين يستخدمون الأمونيا لمساعدة وظائف الكبد. وستمكن العملية غير العضوية من إنتاج الأمونيا حيثما تكون مطلوبة في الصناعة كمادة مضافة صغيرة الحجم، عندما يتم إنتاج الأمونيا نفسها في الصناعة الكيميائية بملايين الأطنان كل عام من خلال عملية نوع هابر بوش المعروفة. وقد تم نشر البحث منذ فترة طويلة في المجلة العلمية Journal of the American Chemical Society. يقول أحد الباحثين: "إن عملية الأدغال البرية تنتج كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون وتستهلك الكثير من الطاقة". "في المقابل، تستخدم عمليتنا الكهرباء لبدء نشاط المحفز. ويمكن الحصول على هذه الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة مثل ضوء الشمس أو الرياح."

وقد عرف الباحثون بالفعل أن ثاني كبريتيد الموليبدينوم يرتبط بقوة وسهولة بالنيتروجين الجوي (N2)، وهو جزيء موجود في الطبيعة ويتكون من ذرتي نيتروجين مرتبطتين بقوة وتشكل ما يقرب من ثمانين بالمائة من الغلاف الجوي للأرض. وأظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية أن استبدال عدد من ذرات الموليبدينوم المكشوفة على سطح المادة بذرات الكوبالت من شأنه أن يزيد من قدرة المركب على تسريع تحويل النيتروجين الجوي إلى أمونيا. أثبتت التجارب العملية التي أجريت في المختبر أن عمليات المحاكاة دقيقة بالفعل.

حصل الباحثون على عينات من المادة النانوية عن طريق زراعة بلورات ثاني كبريتيد الموليبدينوم التالفة على ألياف الكربون مع إضافة الكوبالت (البلورات في الواقع عبارة عن بنية ثنائية الأبعاد، ولكنها تظهر كمستوى من ذرات الموليبدينوم مع طبقات من ذرات الكبريت أسفل هذا المستوى وفوقه). ). وعندما يمر تيار عبر هذه المادة، يتمكن المركب من إنتاج أكثر من عشرة جرامات من الأمونيا كل ساعة باستخدام كيلوغرام واحد من المحفز.

ويوضح الباحث الرئيسي أن "المقياس غير قابل للمقارنة وغير منافس بالنسبة للعمليات الصناعية المعروفة، ولكن يمكن استخدامه كبديل في بعض الحالات". "ستسمح عمليتنا بإنتاج الأمونيا محليًا وفوريًا في الأماكن التي لا توجد فيها مصانع مناسبة، وحتى في التطبيقات الفضائية." ويوضح الباحثون أنه على الرغم من استخدام النيتروجين في المختبر لهذا الغرض، إلا أنه يمكن تعديل العملية بسهولة بحيث يمكنها الاستفادة من النيتروجين الوفير في الهواء.
ويعتقد الباحثون أن مواد المنشطات الإضافية، إلى جانب الكوبالت، ستسمح أيضًا بتحفيز المواد الكيميائية الأخرى، وهو موضوع كامل للبحث المستقبلي في هذا المجال. يوضح الباحث: "اعتقدنا أن فرصة ذهبية قد جاءت في طريقنا لأخذ شيء مألوف للغاية بالنسبة لنا ومحاولة تقليد ما كانت تفعله الطبيعة منذ مليارات السنين". "إذا تمكنا من التخطيط للنسخ الاحتياطي المناسب، فستكون عمليتنا قادرة على أداء وظيفتها المهمة دون انقطاع وبكفاءة."

ملخص المقال

الأخبار عن الأبحاث