تقوم المحفزات بتحويل المواد الكيميائية غير المرغوب فيها أو عديمة الفائدة إلى مواد أكثر فائدة أو مرغوبة. كشفت دراسة نشرت هذا الشهر في مجلة ساينس العلمية عن تفاصيل مهمة لمحفز مشترك
تقوم المحفزات بتحويل المواد الكيميائية غير المرغوب فيها أو عديمة الفائدة إلى مواد أكثر فائدة أو مرغوبة. كشفت دراسة نشرت هذا الشهر في مجلة ساينس العلمية عن تفاصيل مهمة لمحفز مشترك: كيف يتم تشكيل بنية تشبه الطوافة من البلاتين النشط كيميائيًا في المحفز. وقد أسفر البحث الجديد عن رؤى جديدة لتحسين فعالية المحفز الصناعي الشائع المستخدم في تكرير النفط والمعالجة الكيميائية والاستخدامات البيئية.
يظهر البحث أن ذرات الألومنيوم الموجودة في الركيزة الداعمة، والتي تتطلب رابطة إضافية، تلتقط نفسها وتثبتها بذرات البلاتين. تسمح المراسي لذرات البلاتين بالتجمع في أطواف "تطفو" فوق السطح الداعم مع توفير مساحة كبيرة للتفاعلات التحفيزية.
أجرى باحثون من وزارة الطاقة الأمريكية اختبارًا لمحفز صناعي يعرف باسم البلاتين مثبتًا على أكسيد الألومنيوم. هذه التركيبات باهظة الثمن من المعدن والأكسيد هي النوع الأكثر شيوعًا من المحفزات الصناعية. سيساعد البحث الجديد المهندسين على التحكم في تحضير هذا المحفز، وهو تحكم سيؤدي إلى تحسين الأداء. وقال الكيميائي تشاك بيدن، أحد المؤلفين المشاركين في البحث: "لقد تمكنا من تحديد موقع مهم بدقة لتثبيت البلاتين على سطح أكسيد الألومنيوم الذي تم الحصول عليه أثناء التحضير". "على الرغم من حقيقة أنه قد تم بالفعل ملاحظة هياكل الطوافة البلاتينية في الماضي، إلا أن هذه هي المرة الأولى التي نتلقى فيها صورة على المستوى الجزيئي للعمليات التي تنتجها."
وفي هذه المحفزات، لا تكون الأكاسيد أكثر من مجرد سطح توضع عليه المعادن الثمينة بينما تنفصل وتشكل روابط في مركبات أخرى، مثل تلك المستخدمة في عوادم السيارات. تقوم المحفزات الأكثر فعالية بنشر ذرات المعادن الثمينة بشكل موحد على سطح الأكسيد. وفي المحفزات غير الفعالة تصبح ذرات المعدن كتلا متشابكة، بحيث لا تعود الذرات الداخلية متاحة للقيام بعملها مع الذرات الأخرى.
وقد أفاد الكيميائيون الذين يعملون مع هذا المحفز سابقًا أنه في ظل ظروف معينة قد تتشكل مجموعات من ذرات البلاتين على سطح الأكسيد. على عكس الكتل الذرية، تعرض الأطواف معظم ذراتها لجسيمات أخرى، وهي حقيقة تجعلها هياكل مرغوبة للغاية. ومع ذلك، من أجل التحكم في إنتاج هياكل الطوافة، كان على الباحثين أن يتعلموا كيفية تشكيلها.
ولتحقيق هذه الغاية، قام الباحثون بإعداد أسطح أكسيد الألومنيوم في ظل ظروف تركيبية نموذجية واختبارها قبل وبعد طلاءها بذرات البلاتين. في البداية، قاموا بفحص الطبيعة الكيميائية للسطح بمساعدة أحد أقوى الأجهزة من نوعها في العالم - وهو مطياف الرنين المغناطيسي النووي بتردد 900 ميجاهرتز. وقدم الجهاز مستوى غير مسبوق من الدقة لبنية أكسيد الألومنيوم، مما سمح للباحثين بالتعرف على ذرات الألومنيوم ذات الخصائص الفريدة. نظرًا لطبيعتها الكيميائية، تميل ذرات الألومنيوم إلى الارتباط بأربع أو ست ذرات. ومن ناحية أخرى، اكتشف الباحثون أنه في غياب ذرات البلاتين، كانت بعض ذرات الألومنيوم مرتبطة بخمس ذرات، مما يشكل بنية أقل "ملاءمة". إلا أن إضافة ذرات البلاتين إلى الخليط أدى إلى انخفاض عدد ذرات الألومنيوم المرتبطة بخمس ذرات أخرى، وزيادة عدد تلك المرتبطة بست ذرات. ويظل عدد ذرات الألومنيوم المرتبطة بأربع ذرات أخرى ثابتًا، وهي حقيقة تشير إلى أن ذرات البلاتين تقع في نقاط أقرب من الذرات المرتبطة بخمس ذرات، تسمى المواقع الخماسية. واكتشف فريق البحث أنه يمكن زيادة عدد المواقع الخماسية عن طريق زيادة درجة الحرارة أثناء تحضير المحفز. المزيد من المواقع الخماسية يعني المزيد من ذرات البلاتين الراسية على السطح.
وفي نهاية سلسلة تجاربهم، أظهر الباحثون أن ذرات الألومنيوم الخماسية ضرورية لتشكيل هياكل الطوافة. لا تحتوي أكاسيد الألومنيوم في الأصل على إيثرات بنتا. وعندما فحص الباحثون المحفزات المحضرة من أكسيد الألومنيوم تحت المجهر، رأوا أن ذرات البلاتين شكلت كتلا كروية تتأرجح على السطح بدلا من هياكل الطوافة المنظمة.
أنتجت الحسابات النظرية التي أخذت في الاعتبار جميع المعلومات التجريبية نموذجًا حاسوبيًا لآلية تكوين المحفز. قدمت هذه النتائج نظرة ثاقبة حول الطريقة الأنسب لإعداد محفزات أكثر فعالية.
ويشير الباحث إلى أن "الفهم الذي حققناه في البحث أدى إلى ظهور عدد من الأدوات الإضافية التي يمكن استخدامها للحصول على توزيع أفضل وأكثر تجانسا لذرات البلاتين". "على سبيل المثال، إذا تمكنا من إيجاد الظروف التي يمكن من خلالها إضافة ذرات البلاتين في درجات حرارة أعلى مما هو موجود اليوم، فيمكن أن يكون لدينا العديد من مواقع الربط المتاحة." إن العثور على الظروف الدقيقة التي تسمح للكيميائيين بالتحكم في عدد ودرجة تشتت الخماسيات سيكون موضوع الدراسات المستقبلية لهذه المجموعة.
