مجلة أقلام مرحبا بك في مجلة أقلام , هنا ستجد آخر المقالات والأخبار
تصميم المحفزات للوقود المستدام باستخدام الكيمياء الكهربائية
يقوم Yogesh Surendranath وفريقه بإحضار تقنيات قوية للكيمياء الكهربائية للتغلب على مشكلة تصميم المحفزات للوقود المستدام.
يتمثل أحد التحديات في إزالة الكربون عن نظام الطاقة في معرفة كيفية التعامل مع أنواع جديدة من الوقود. يمكن دمج أنواع الوقود التقليدية مثل الغاز الطبيعي والنفط مع مواد أخرى ثم تسخينها إلى درجات حرارة عالية بحيث تتفاعل كيميائيًا لإنتاج أنواع أخرى من الوقود أو المواد المفيدة ، أو حتى الطاقة للقيام بالعمل. لكن المواد الجديدة مثل الوقود الحيوي لا يمكنها تحمل نفس القدر من الحرارة دون أن تتحلل.
أحد المكونات الرئيسية في مثل هذه التفاعلات الكيميائية هو محفز صلب مصمم خصيصًا يُضاف لتشجيع التفاعل على الحدوث ولكنه لا يُستهلك في هذه العملية. مع المواد التقليدية ، يتفاعل المحفز الصلب عادةً مع الغاز ؛ ولكن مع الوقود المشتق من الكتلة الحيوية ، على سبيل المثال ، يجب أن يعمل المحفز مع سائل – وهو تحد خاص لأولئك الذين يصممون المحفزات.
منذ ما يقرب من عقد من الزمان ، ركز يوجيش سوريندراناث ، أستاذ الكيمياء المساعد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، على التفاعلات الكيميائية بين المحفزات الصلبة والسوائل ، ولكن في موقف مختلف: بدلاً من استخدام الحرارة لدفع التفاعلات ، قام هو وفريقه بإدخال الكهرباء من بطارية أو مصدر متجدد مثل الرياح أو الطاقة الشمسية لإعطاء الجزيئات غير النشطة كيميائيًا مزيدًا من الطاقة حتى تتفاعل. ومفتاح أبحاثهم هو تصميم وتصنيع المحفزات الصلبة التي تعمل بشكل جيد للتفاعلات التي تنطوي على السوائل.
إدراكًا للحاجة إلى استخدام الكتلة الحيوية لتطوير وقود سائل مستدام ، تساءل Surendranath عما إذا كان بإمكانه هو وفريقه اتباع المبادئ التي تعلموها حول تصميم المحفزات لدفع التفاعلات السائلة الصلبة بالكهرباء وتطبيقها على التفاعلات التي تحدث في واجهات صلبة سائلة بدون أي دخل للكهرباء.
ولدهشتهم ، وجدوا أن معرفتهم ذات صلة مباشرة. لماذا؟ يقول سوريندراناث: “ما وجدناه – بشكل مثير للدهشة – هو أنه حتى عندما لا تقوم بتوصيل الأسلاك بالمحفز الخاص بك ، فهناك” أسلاك “داخلية صغيرة تقوم بالتفاعل”. “لذا ، فإن التفاعلات التي يعتقد الناس عمومًا أنها تعمل دون أي تدفق للتيار تتضمن في الواقع انتقال الإلكترونات من مكان إلى آخر.” وهذا يعني أن Surendranath وفريقه يمكنهم استخدام التقنيات القوية للكيمياء الكهربائية للتأثير على مشكلة تصميم المحفزات للوقود المستدام.
فرضية جديدة
ركز عملهم على فئة من التفاعلات الكيميائية المهمة في انتقال الطاقة والتي تتضمن إضافة الأكسجين إلى جزيئات عضوية صغيرة (تحتوي على الكربون) مثل الإيثانول والميثانول وحمض الفورميك . الافتراض التقليدي هو أن المادة المتفاعلة والأكسجين يتفاعلان كيميائيًا لتكوين المنتج بالإضافة إلى الماء. وهناك محفز صلب – غالبًا ما يكون مزيجًا من المعادن – موجودًا لتوفير مواقع يمكن أن يتفاعل فيها المادة المتفاعلة والأكسجين.
لكن Surendranath اقترح وجهة نظر مختلفة لما يحدث. في الإعداد المعتاد ، يتم تركيب محفزين ، يتكون كل منهما من العديد من الجسيمات النانوية ، على ركيزة كربونية موصلة ومغمورة في الماء. في هذا الترتيب ، يمكن للإلكترونات سالبة الشحنة أن تتدفق بسهولة عبر الكربون ، بينما يمكن للبروتونات الموجبة أن تتدفق بسهولة عبر الماء.
كانت فرضية Surendranath هي أن تحويل المادة المتفاعلة إلى منتج يتقدم عن طريق “تفاعل نصفين” منفصلين على المحفزين. في أحد المحفزات ، يتحول المتفاعل إلى منتج ، في العملية يرسل الإلكترونات إلى الركيزة الكربونية والبروتونات في الماء. يتم التقاط هذه الإلكترونات والبروتونات بواسطة المحفز الآخر ، حيث يقودون التحويل من الأكسجين إلى الماء. لذلك ، بدلاً من تفاعل واحد ، تحقق تفاعلتان منفصلتان ولكن منسقتان معًا التحويل الصافي للمادة المتفاعلة إلى المنتج.
نتيجة لذلك ، لا يتضمن التفاعل الكلي في الواقع أي إنتاج أو استهلاك صافٍ للإلكترون. إنه تفاعل “حراري” قياسي ناتج عن الطاقة في الجزيئات وربما بعض الحرارة المضافة. النهج التقليدي لتصميم محفز لمثل هذا التفاعل سيركز على زيادة معدل تحويل المادة المتفاعلة إلى المنتج. وأفضل محفز لهذا النوع من التفاعل يمكن أن يكون ، على سبيل المثال ، الذهب أو البلاديوم أو بعض المعادن الثمينة الأخرى باهظة الثمن.
ومع ذلك ، إذا اشتمل هذا التفاعل فعليًا على نصف تفاعلين ، كما اقترح سوريندراناث ، فهناك تدفق شحنة كهربائية (الإلكترونات والبروتونات) بينهما. لذلك ، يمكن لسوريندرانات وآخرون في هذا المجال استخدام تقنيات الكيمياء الكهربية لتصميم ليس محفزًا واحدًا للتفاعل الكلي ولكن بدلاً من محفزين منفصلين – أحدهما لتسريع نصف التفاعل والآخر لتسريع نصف التفاعل الآخر. يقول سوريندراناث: “هذا يعني أنه لا يتعين علينا تصميم محفز واحد للقيام بكل الرفع الثقيل لتسريع التفاعل بأكمله”. “قد نكون قادرين على إقران اثنين من المحفزات منخفضة التكلفة ومتوفرة بكثرة في الأرض ، كل منهما يقوم بنصف التفاعل بشكل جيد ، وينفذان معًا التحول الشامل بسرعة وكفاءة.”
ولكن هناك اعتبار آخر: يمكن للإلكترونات أن تتدفق عبر مركب المحفز بأكمله ، والذي يشمل جسيم (جسيمات) المحفز وركيزة الكربون. لكي يحدث التحويل الكيميائي في أسرع وقت ممكن ، يجب أن يتطابق معدل إدخال الإلكترونات في مركب المحفز تمامًا مع معدل إخراجها. بالتركيز على الإلكترونات فقط ، إذا كان تحويل التفاعل إلى المنتج على المحفز الأول يرسل نفس العدد من الإلكترونات في الثانية إلى “حمام الإلكترونات” في مركب المحفز كما يستغرق التحويل من الأكسجين إلى الماء في المحفز الثاني في الخارج ، سيكون نصفي التفاعلات متوازنين ، وسيكون تدفق الإلكترون – ومعدل التفاعل المشترك – سريعًا.
يقول Jaeyune Ryu PhD ’21 ، وهو عضو سابق في مختبر Surendranath ومؤلف رئيسي لـ يذاكر؛ ريو الآن ما بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد. “معدلات التفاعلات متساوية ، والجهد في مركب المحفز لن يتغير أثناء التفاعل الحراري الكلي.”
بالاعتماد على الكيمياء الكهربائية
بناءً على فهمهم الجديد ، لجأ Surendranath و Ryu وزملاؤهم إلى تقنيات الكيمياء الكهربائية لتحديد محفز جيد لكل نصف تفاعل والذي من شأنه أيضًا أن يعمل معًا بشكل جيد. إن إطارهم التحليلي لتوجيه تطوير المحفز للأنظمة التي تجمع بين تفاعلين نصفين مبني على نظرية تم استخدامها لفهم التآكل لما يقرب من 100 عام ، ولكن نادرًا ما تم تطبيقها لفهم أو تصميم المحفزات للتفاعلات التي تتضمن جزيئات صغيرة مهمة لـ انتقال الطاقة.
مفتاح عملهم هو potentiostat ، وهو نوع من الفولتميتر يمكنه إما قياس جهد النظام بشكل سلبي أو تغيير الجهد بشكل فعال لإحداث رد فعل. في تجاربهم ، استخدم سوريندراناث وفريقه الجهد لقياس جهد المحفز في الوقت الفعلي ، ومراقبة كيفية تغيره من ميلي ثانية إلى ميلي ثانية. ثم يربطون قياسات الجهد هذه بقياسات متزامنة ولكن منفصلة للمعدل الإجمالي للحفز لفهم مسار التفاعل.
من أجل دراستهم لتحويل الجزيئات الصغيرة المتعلقة بالطاقة ، قاموا أولاً باختبار سلسلة من المحفزات للعثور على محفزات جيدة لكل نصف تفاعل – واحد لتحويل المادة المتفاعلة إلى منتج ، وإنتاج الإلكترونات والبروتونات ، والآخر لتحويل الأكسجين في الماء ، تستهلك الإلكترونات والبروتونات. في كل حالة ، يمكن أن ينتج عن المرشح الواعد تفاعل سريع – أي تدفق سريع للإلكترونات والبروتونات إلى الخارج أو الداخل.
للمساعدة في تحديد محفز فعال لأداء النصف الأول من رد الفعل ، استخدم الباحثون جهدهم لإدخال الفولتية التي يتم التحكم فيها بعناية وقياس التيار الناتج الذي يتدفق عبر المحفز. المحفز الجيد سوف يولد الكثير من التيار للجهد المطبق القليل ؛ سيتطلب المحفز الضعيف جهدًا عاليًا مطبقًا للحصول على نفس الكمية من التيار. ثم اتبع الفريق نفس الإجراء لتحديد محفز جيد للنصف الثاني من التفاعل.
لتسريع التفاعل الكلي ، احتاج الباحثون إلى إيجاد محفزين متطابقين جيدًا – حيث كانت كمية التيار عند جهد معين مرتفع لكل منهما ، مما يضمن أنه عندما ينتج أحدهما تدفقًا سريعًا للإلكترونات والبروتونات ، فإن الآخر ينتج عنه تدفق سريع للإلكترونات والبروتونات. استهلكتهم بنفس المعدل.
لاختبار الأزواج الواعدة ، استخدم الباحثون الجهد الكهربي لقياس جهد مركب المحفز أثناء التحفيز الصافي – لا يغير الجهد كما كان من قبل ، ولكن الآن يقيسه فقط من عينات صغيرة. في كل اختبار ، يستقر الجهد بشكل طبيعي عند مستوى معين ، والهدف هو أن يحدث ذلك عندما يكون معدل كلا التفاعلين مرتفعًا.
التحقق من صحة فرضيتهم والتطلع إلى الأمام
من خلال اختبار نصفي التفاعل ، يمكن للباحثين قياس مدى اختلاف معدل التفاعل لكل واحد مع التغيرات في الجهد المطبق. من خلال هذه القياسات ، تمكنوا من التنبؤ بالجهد الذي سيتواصل عنده التفاعل الكامل بشكل أسرع. تطابقت قياسات رد الفعل الكامل مع تنبؤاتهم ، ودعم فرضيتهم.
يقدم نهج الفريق الجديد المتمثل في استخدام تقنيات الكيمياء الكهربائية لفحص التفاعلات التي يُعتقد أنها حرارية بطبيعتها رؤى جديدة للخطوات التفصيلية التي تحدث بها تلك التفاعلات ، وبالتالي في كيفية تصميم المحفزات لتسريعها. يقول ريو: “يمكننا الآن استخدام استراتيجية فرق تسد”. “نحن نعلم أن التفاعل الحراري الصافي في دراستنا يحدث من خلال تفاعلين نصفين” مخفيين “لكن مترابطين ، لذلك يمكننا أن نهدف إلى تحسين نصف تفاعل واحد في كل مرة” – ربما باستخدام مواد محفزة منخفضة التكلفة لأحدهما أو كليهما.
يضيف سوريندراناث ، “أحد الأشياء التي نتحمس لها في هذه الدراسة هو أن النتيجة ليست نهائية في حد ذاتها. لقد بذلت حقًا مجالًا جديدًا للدفع في برنامجنا البحثي ، بما في ذلك طرق جديدة لتصميم المحفزات لإنتاج وتحويل الوقود والكيماويات المتجددة. “
تم دعم هذا البحث بشكل أساسي من قبل مكتب القوات الجوية للبحوث العلمية. تم دعم Jaeyune Ryu PhD ’21 من خلال منحة Samsung الدراسية. تم تقديم دعم إضافي من خلال زمالة أبحاث الخريجين من مؤسسة العلوم الوطنية.
