تتجمع وحدات البناء الكيميائية ذاتيًا لتشكل محفزًا

هذه الحقيقة تجعلها مرشحة مثالية لتحل محل محفزات البلاتين باهظة الثمن المستخدمة حاليًا في تحضير خلايا وقود الهيدروجين، كما يقول الدكتور تيموثي كوك، أستاذ الكيمياء بجامعة بوفالو.

[ترجمة د.نحماني موشيه]

ما هو أفضل من البلاتين؟ في مجال خلايا الوقود الهيدروجيني، قد يكون الجواب هو بورفيرينات الكوبالت. هذه الجزيئات ذاتية التجميع - والفعالة للغاية في تسريع التفاعل الكيميائي المطلوب لإنتاج الطاقة من الهيدروجين والأكسجين - يمكن أن تكون التقدم التالي في مجال الطاقة البديلة.

 

يتم تجميع المركبات ذاتيًا في المختبر من كتل بناء تشبه لعبة الليغو، وهي مصممة لتتناسب معًا. إنها تقنية من نوع "الخلط والخبز": يضيف العلماء العناصر الأساسية إلى المسحوق، ويخلطونها معًا ويسخنونها. وبمرور الوقت، تتلاءم وحدات البناء معًا في المواقع المناسبة لإنشاء المنتج النهائي. المواد رخيصة وسهلة الإنتاج بكميات كبيرة. هذه الحقيقة تجعلهم مرشحين مثاليين لاستبدال محفزات البلاتين باهظة الثمن المستخدمة حاليًا في تحضير خلايا وقود الهيدروجين، كما يقول الدكتور تيموثي كوك، أستاذ الكيمياء بجامعة بوفالو.

وهذا النوع من التكنولوجيا يمكن أن يسمح للشركات في المستقبل القريب بتخفيض أسعار السيارات التي تعمل بالهيدروجين، الأمر الذي سيجعل من الممكن توسيع قاعدة عملاء المركبات الصديقة للبيئة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لخلايا الوقود الرخيصة أن تشجع تطوير أجهزة طاقة أخرى تعتمد على الهيدروجين، مثل مولدات الطاقة في المواقف الاحتياطية. يعتبر الهيدروجين مصدرًا نظيفًا للطاقة نظرًا لأن خلايا الوقود تنبعث منها الماء فقط كمنتج ثانوي. يقول الباحث الرئيسي: "من أجل خفض سعر مركبات الهيدروجين وجعلها خيارًا عمليًا لجمهور أوسع، نحتاج إلى محفز يكون أرخص من المحفزات البلاتينية". "إن المحفز الذي طورناه قادر على التنظيم الذاتي بكميات كبيرة. يحتوي المحفز نفسه على الروثينيوم والكوبالت - وهي معادن أرخص بكثير من البلاتين - ومع ذلك، فهو يعمل بشكل جيد وحتى أفضل من محفزات البلاتين المتاحة تجاريًا والتي اختبرناها أيضًا للمقارنة. وقد نشرت نتائج البحث منذ فترة طويلة في المجلة العلمية الكيمياء: مجلة أوروبية.

يتخصص مختبر الباحث كوك في التجميع الذاتي الجزيئي، وهي عملية قيمة تستخدم لصنع مواد جديدة. يقول الباحث الرئيسي: "عندما أفكر في التنظيم الذاتي الجزيئي، فإنني أتخيل دائمًا العناصر الأساسية للعبة الليغو". "لديك في يدك وحدات بناء مصممة لتتلاءم مع بعضها البعض، مثل أجزاء التجميع. تقوم وحدات البناء الخاصة بنا بما هو أكثر من ذلك - فهي تنجذب إلى بعضها البعض، وعندما تقربها من بعضها البعض وتضيف الطاقة، فإنها تتصل ببعضها البعض بنفسها. "التجميع الذاتي هو وسيلة فعالة لإعداد الجزيئات المعقدة. عادة، من أجل تصنيع مادة جديدة، عليك تجميعها قطعة قطعة، وهي عملية مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً. التنظيم الذاتي الجزيئي هو عملية سريعة - إنها في الواقع عملية من خطوة واحدة." يتكون المحفز الجديد من جزيئين مسطحين من البورفيرين والكوبالت، والتي يتم تكديسها معًا واحدة فوق الأخرى مثل الساندويتش، ومتصلة بواسطة معدن الروثينيوم." ومن أجل تصنيع المنتج النهائي، صمم الباحثون البورفيرينات والموصلات ذات الخصائص الكيميائية التي تضمن ارتباطها ببعضها البعض في المواقع المناسبة. بعد ذلك، قام الباحثون بخلط محلول من البورفيرينات مع المركبات ثم استخدموا الحرارة. وفي غضون يومين، نظمت الأجزاء نفسها لإنشاء المنتج النهائي المطلوب.

وعلى غرار المحفز البلاتيني الذي يخططون لاستبداله، تعمل بورفيرينات الكوبالت على تسريع تفاعل كيميائي يستخدم في تطوير خلايا وقود الهيدروجين يسمى اختزال الأكسجين. خلال هذا التفاعل، ينقسم جزيء الأكسجين إلى ذرتين أكسجين منفصلتين يمكنهما إعادة الاتصال بذرات الهيدروجين لتكوين الماء - أثناء تلقي الطاقة. لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن البورفيرينات فعالة في التقاط وتقسيم الأكسجين: في جسم الإنسان نفسه، تكون الإصدارات القائمة على الحديد من البورفيرينات مسؤولة عن تحويل الأكسجين الذي نتنفسه إلى ماء، وانبعاث الطاقة التي يستخدمها الجسم، وهو ما يفسر الرصاص. الباحث. ويضيف أنه في الوقت نفسه، كان تطوير هياكل البورفيرين الاصطناعية التي تعمل كمحفزات أمرًا صعبًا حتى الآن. عادة ما تكون عملية تحضير هذه المركبات مكلفة، وتتضمن العديد من الخطوات للحصول على كمية صغيرة من المنتج النهائي. يحل التجميع الذاتي هذه المشكلات: فقد تمكن فريق البحث من إنتاج 79 جرامًا من كوبالت البورفيرين من كل 100 جرام من المادة الأولية - وهو استرداد أفضل بكثير من الاسترداد الذي أبلغت عنه مختبرات أخرى لمواد مماثلة، وهو الاسترداد عند مستوى واحد بالمائة. بالإضافة إلى ذلك، تمكن الفريق البحثي من تصنيع واختبار موصلات الروثينيوم بأطوال مختلفة بحيث تكون مناسبة للضبط الحساس للخصائص الكهروكيميائية للمركب للوصول إلى المحفز المثالي. يقول أحد الباحثين: "إنه لأمر مجزٍ حقًا العمل على الكيمياء الأساسية لهذا المشروع، وهو بحث يمكن أن يكون له تأثير كبير في مجال الطاقة الخضراء". "باستخدام أساليب التجميع الذاتي، تمكنا من إعداد مواد أرخص خلال ثمان وأربعين ساعة، دون الحاجة إلى خطوات تنقية صعبة تتطلب الكثير من الوقت، وهي خطوات شائعة في طرق أخرى لتخليق مواد جديدة."

ملخص المقال

أخبار الدراسة

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• إنتاج وقود الهيدروجين مستوحى من عملية التمثيل الضوئي في الطبيعة

• خطوة مهمة على الطريق إلى وقود الهيدروجين

• سيساعد تقسيم الماء بمساعدة الطاقة الشمسية في الإنتاج الفعال لوقود الهيدروجين

• طريقة رخيصة ونظيفة لإنتاج الهيدروجين لخلايا الوقود