كيف تعمل محركات الديزل الجديدة بحيث تنبعث منها غازات دفيئة أقل؟

تعمل المحولات الحفازة الجديدة التي تعمل في محركات الديزل على إخراج الملوثات من غرفة الاحتراق وتحويلها إلى مواد غير ضارة بمساعدة مركب الأمونيا

تقوم المحولات الحفازة الجديدة العاملة في محركات الديزل بإخراج الملوثات من غرفة الاحتراق بمساعدة مركب الأمونيا. وكما هو شائع بالفعل في السيارات الأوروبية، ينبعث من المحركات غاز النيتروجين والماء، وهي مواد غير ضارة. ولا يزال من غير الواضح تمامًا كيف يفعلون ذلك. الآن، يُظهر بحث جديد أن المحفز يهاجم الملوث بطريقة غير عادية، وهو اكتشاف يمكن استخدامه لتطوير المحولات الحفازة المحسنة.

أظهر فريق من الباحثين من معهد المحفزات في المختبر الوطني التابع لوزارة الطاقة في دراسة جديدة نشرت في المجلة العلمية Angewandte Chemie International Edition، أن المحفز الاصطناعي يعمل بطريقة مشابهة للإنزيمات الموجودة في البكتيريا: يقتربون من الهدف من الجانب وليس من الأمام. وقال الباحث الرئيسي: "ما وجده مذهلا هو التشابه في الآلية بين هذا المحفز الاصطناعي والمحفز الأنزيمي". "الطبيعة ترشدنا إلى كيفية التصرف".

الزيوليت عبارة عن معادن ألومينو سيليكات بلورية قادرة على استضافة أيونات معدنية بداخلها - ذرات معدنية مشحونة كهربائيًا - للتطبيقات التحفيزية. وفي بعض هذه المواد تنجح الأيونات المعدنية في تفكيك مادة أكسيد النيتروجين الملوثة الموجودة في غازات عوادم المركبات. وفي الوقت نفسه، تميل الزيوليت إلى التفتت والتكتل معًا بسهولة، مما يؤدي إلى نشاط قصير المدى فقط. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تنتج كمنتج ثانوي غاز أكسيد النيتروز الدفيئة (المادة المعروفة لدى الجمهور الذي يعالج في عيادات الأسنان بالغاز الضاحك). ومؤخرًا، نجح الباحثون في تطوير زيوليت مبتكر يتميز بثباته المثير للدهشة، وقادر على إنتاج كمية صغيرة جدًا من أكسيد النيتروجين، وهي المادة التي تدمر طبقة الأوزون، من أكسيد النيتروجين. وينتج هذا الزيوليت بشكل أساسي الماء والنيتروجين الجوي - المكون الرئيسي للهواء الذي نتنفسه - لكنه يجب أن يتفاعل مع الأمونيا، التي يمكن أن تصل، على سبيل المثال، إلى البول (اليوريا). تستخدم بعض مركبات الديزل في أوروبا اليوم هذا المحفز، ولا يُطلب منها ملء خزان الوقود فحسب، بل خزان المياه أيضًا. يستخدم الزيوليت الجديد، المسمى Cu-SSZ-13، النحاس كمادة مضافة للمعدن، ويحتوي على فراغات أصغر من الزيوليت المقابل له.

واعتقد الباحثون أن هذا الزيوليت سوف يكسر أكسيد النيتريك بنفس الطريقة التي تعمل بها الزيوليتات الأخرى، ويؤدي نفس خطوات التفاعل الكيميائي. ومع ذلك، لا بد أن يحدث شيء آخر، حيث تمكن الباحثون من تسريع نشاط الزيوليتات المعروفة عن طريق إضافة ثاني أكسيد النيتروجين - لكن الزيوليت الجديد لم يتفاعل بنفس الطريقة. تشير هذه الحقيقة إلى أن الزيوليت الجديد يعمل في مسار كيميائي مختلف.

ومن أجل اختبار مدى نجاح الزيوليت الجديد في شق أكسيد النيتريك، قام فريق الباحثين بفحص بنية الزيوليت أثناء التفاعل. باستخدام أدوات متقدمة مصممة خصيصًا للعثور على إجابات لمثل هذه الأسئلة، حاول الباحثون أولاً فهم الجزيئات المرتبطة بالزيوليت.

بعد ذلك، تمكنوا بشكل غير متوقع من العثور على جزيء مشحون من أكسيد النيتريك مرتبط بأيونات النحاس. هذا الترتيب الجزيئي ممكن فقط بإحدى طريقتين، حيث تتطلب الطريقة الأكثر شيوعًا وجود مركب ثاني أكسيد النيتروجين. وبما أن الباحثين لم يكتشفوا هذا الجزيء، فقد استبعدوا الاحتمال المذكور أعلاه.

تركت هذه النتيجة الاحتمال الثاني حيث يرتبط معدن النحاس نفسه مباشرة بأكسيد النيتروجين. وفي هذه العملية "تأخذ" ذرات النحاس أحد إلكترونات أكسيد النيتروجين وبالتالي تحوله إلى أيون موجب. وفي الخطوة التالية، يتفاعل جزيء الأمونيا مع هذه الحلقة المشحونة وفي نهاية سلسلة من التفاعلات، ينبعث النيتروجين الجزيئي وجزيء الماء إلى الغلاف الجوي.

إن التركيز على بنية الزيوليت وبناء نموذجه بمساعدة برامج الكمبيوتر سمح للباحثين باكتشاف نتيجة غير عادية - في معظم محفزات الزيوليت، يشبه هيكل أكسيد النيتروجين دمبلًا صغيرًا به ذرة نيتروجين في أحد طرفيه وذرة نيتروجين في أحد طرفيه. ذرة الأكسجين في الطرف الآخر. ويرتبط هذا الوزن بذرة المعدن من خلال أحد طرفيه، عادة من خلال ذرة النيتروجين. ومع ذلك، في الزيوليت الجديد، يرتبط معدن النحاس بكل من ذرة النيتروجين وذرة الأكسجين في نفس الوقت، كما لو أن المكونات الثلاثة معًا تشكل حلقة ثلاثية.

يوضح الباحث الرئيسي: "هذا الهيكل غير شائع في هذا النوع من المحفزات الاصطناعية". "ومع ذلك، تحتوي البكتيريا على إنزيم (إنزيم اختزال النتريت) يعمل في مثل هذه البنية تمامًا وهو الإنزيم الذي يكسر النتريت إلى نيتروجين جوي." واكتشف الباحثون أيضًا أن هذا الهيكل المثلث يتسبب في انحناء زاوية "الحديد" قليلًا. وبدون هذا الانحناء، تكون الزاوية بين ذرة النيتروجين وذرة الأكسجين 180 درجة بالضبط؛ ومع ذلك، في الزيوليت تقصر الزاوية إلى حوالي 146 درجة فقط. وأظهرت المحاكاة الحاسوبية للزيوليت أن الفجوة بين ذرات الألومنيوم وذرات السيليكون في الشبكة يمكن أن تكون كافية لجزيء واحد فقط من أكسيد النيتروجين. وبالمقارنة، بالنسبة للزيوليتات الأخرى، يكون مكانها كبيرًا بما يكفي لاستيعاب جزيئين. يوضح الباحث الرئيسي: "إن حجم المكان الصغير يتناسب تمامًا مع المواد المتفاعلة ويتيح التحكم الدقيق في التفاعل". "آلية العمل هذه تشرح نتائجنا السابقة، مثل سبب عدم حصولنا على أكسيد النيتريك."

أخبار الدراسة