إن أول لمحة على الإطلاق عن عمل المحفزات النانوية يمكن أن تؤدي إلى تحسين السيطرة على التلوث وتقنيات خلايا الوقود الأكثر كفاءة.
إن أول لمحة على الإطلاق عن عمل المحفزات النانوية يمكن أن تؤدي إلى تحسين السيطرة على التلوث وتقنيات خلايا الوقود الأكثر كفاءة. لاحظ علماء من وزارة الطاقة الأمريكية وجود محفزات قادرة على تنظيم نفسها استجابة للغازات المختلفة التي تدور حولها - على غرار الحرباء التي تغير ألوانها حسب بيئتها.
باستخدام نظام التحليل الطيفي المتطور في مختبر بيركلي، لاحظ الفريق، لأول مرة في العالم، كيف تغير الجسيمات النانوية، المكونة من معدنين محفزين، تركيبها الدقيق في وجود مواد متفاعلة مختلفة. حتى الآن، كان على العلماء الاعتماد على الصور الفوتوغرافية للمحفزات التي تم التقاطها قبل التفاعل وبعده، ولم يتم التقاطه أثناء التفاعل مطلقًا.
يمكن أن تمنح "نافذة الزمن" الجديدة هذه العلماء القدرة على تطوير محفزات أرخص وأكثر كفاءة وقابلة للضبط لدفع الكيمياء اليومية، مثل التفاعلات المسؤولة عن إزالة السموم من الملوثات، وحقن الهيدروجين في خلايا الوقود، وطرق جديدة لتكرير الوقود. وسيكون أيضًا قادرًا على تسريع تطوير المحفزات التي يمكنها غسل جميع المواد الموجودة في خليط التفاعل باستثناء المنتج المرغوب، وهو علامة الجودة لـ "الكيمياء الخضراء" التي يتم فيها الحصول على أقلية من المنتجات الثانوية الملوثة.
يقول غابور سومورجاي، عالم الأسطح المعروف وخبير المحفزات من قسم الكيمياء بجامعة كاليفورنيا في بيركلي: "الآن يمكننا أن نحلم". أجرى الدراسة مع ميكيل سالميرون، الرائد في مجال الفحص المجهري والذي ساعد في الحصول على نتائج هذه الدراسة.
يقول سومورجاي: "بمساعدة مراقبة التغييرات التي تحدث على المحفزات في الوقت الفعلي، سنكون قادرين على تصميم محفزات "ذكية" في المستقبل والتي ستكون قادرة على التغيير وفقًا لتقدم التفاعل".
المحفزات، وهي مواد تعمل على تسريع التفاعلات الكيميائية، هي معقدة وقيمة في نفس الوقت. وهي ضرورية لإنتاج العديد من المواد الكيميائية الصناعية الهامة. كما أنها تلعب دورًا مهمًا في الكيمياء البيئية، مع المثال الشهير للمحول الحفاز الذي يقلل من انبعاثات الملوثات من عوادم المركبات.
ونظرًا لأهميتها، يحاول الباحثون في جميع أنحاء العالم فهم كيفية عملها بشكل أفضل وكيف يمكن تحسينها. ومع ذلك، حتى الآن، لا يمكن ملاحظة المحفزات النانوية إلا قبل التفاعل أو بعده. تظل الخطوة الحاسمة – وهي كيفية تغير المحفز أثناء التفاعل – مفتوحة للتخمين.
وهذا معلم جاد. وكما يوضح الباحث، فإن ذلك يشبه محاولة التعرف على كامل مسار حياة الإنسان من خلال مشاهدة فترة طفولته وبعدها مباشرة القفز إلى فترة كونه إنسانًا مسنًا. إن حدوث ما بين هذه الأوقات مهم للغاية، ولكن من الصعب للغاية أيضًا فك شفرته من خلال مراقبة مرحلتين منفصلتين وبعيدتين.
يضيف سالميرون: "من الصعب ضبط المحفز ليقوم بالضبط بما تريده أن يفعله إلا إذا كنت تعرف كيف يتغير أثناء التفاعل". "بفضل بحثنا، أصبح من الممكن لأول مرة ملاحظة التغييرات التي يمر بها المحفز أثناء نشاطه، وليس فقط قبله وبعده."
ويتطلب الحصول على هذه الميزة الجديدة الجمع بين خبرات الباحثين سومورجاي وسالميرون معًا. في البداية، كان عليهم العمل على مقياس النانومتر، وهو المقياس الذي تعمل به معظم المحفزات. باستخدام التقنيات التي تم تطويرها في مختبره، قام سومورجاي بتصنيع جسيمات نانوية مكونة من معادن محفزة شائعة. وتتكون بعض الجسيمات من الروديوم والبلاديوم والبعض الآخر من البلاتين والبلاديوم.
في الخطوة التالية، ومن أجل ملاحظة التغيرات التي تحدث على هذه المحفزات ثنائية المعدن في وجود المواد المتفاعلة، استخدموا أحد أجهزة التحليل الطيفي الوحيدة في العالم التي تسمح للعلماء بفحص الظواهر التحفيزية والبيولوجية في بيئتهم الطبيعية، وهو هو - عند الضغوط الجوية وبوجود مواد كيميائية مختلفة.
تم تطوير هذا الجهاز، وهو الأول من نوعه، بواسطة سالميرون وزملائه، وهو موجود في المختبر المتقدم لمصادر الضوء في بيركلي. وكما هو الحال مع جميع طرق التحليل الطيفي، فهو يحدد العناصر عن طريق الكشف عن إشاراتها الطيفية الفريدة. ومع ذلك، وخلافًا لمعظم الأنظمة، يعمل نظام التحليل الطيفي الإلكتروني الضوئي في ضغوط وبيئات مشابهة لتلك الموجودة في الظواهر اليومية، بدلاً من متطلبات الفراغ الذي يتم التحكم فيه بعناية.
وباستخدام هذا النظام، تمكن الباحثون من ملاحظة، في الوقت الفعلي، كيف تغير الجسيمات النانوية ثنائية المعدن تركيبها عند تعرضها لغازات مختلفة، مثل أكسيد النيتروجين وأول أكسيد الكربون والهيدروجين. في وجود كواشف معينة يرتفع الروديوم إلى سطح الجسيمات النانوية، بينما في وجود كواشف أخرى يرتفع البلاديوم.
ويوضح الباحث: "مع تغير نوع الغاز، لاحظنا صعود معادن مختلفة إلى سطح الجسيمات النانوية، وهي منطقة المحفز التي تتم فيها التفاعلات الكيميائية". وبهذه المعلومات يتمكن العلماء من تطوير محفزات وكواشف الجسيمات النانوية التي سيتم تصميمها حسب متطلباتها والتي ستؤدي إلى الحصول على المنتج المطلوب بأعلى كفاءة سواء كان ذلك في مجالات الوقود أو في مجالات التنظيف. الانبعاثات. على سبيل المثال، سيتمكن الباحثون من بناء محفزات جسيمات نانوية ثنائية المعدن، يرتفع فيها أحد المعادن إلى السطح وينشط فيه في المرحلة الأولية من التفاعل، ويصعد إليه معدن آخر في المرحلة اللاحقة. الهدف هو ضمان وضع يكون فيه المعدن الأكثر نشاطًا موجودًا على سطح المحفز في اللحظة التي تكون هناك حاجة إليه بالضبط. باستخدام هذه الطريقة، سيكون من الممكن الحصول على المنتج المطلوب بسرعة وبتكلفة زهيدة.
