باحثون يطورون عاملاً حفازاً جديداً لتنشيط التفاعلات الكيميائية للحصول على الأكسجين

عامل حفاز جديد لتنشيط التفاعلات الكيميائية
حقوق الصورة: شترستوك.
استمع الى المقالة الآن هذه الخدمة تجريبية
Play Audio Pause Audio

نجحت مجموعة من الباحثين في "معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا" بقيادة الدكتور "شواي يوان" في تطوير نوع جديد من الحفازات مؤلفة من إطار مصنوع من "هيدروكسيد معدني عضوي" (MHOF)، لتحفيز التفاعل الكهروكيميائي الذي يفصل الأكسجين عن جزيئات الماء للحصول على الأكسجين الذي يُستخدم فيما بعد لإنتاج أنواع جديدة من الوقود. وتتميز فكرة هؤلاء الباحثين بتطويرها عوامل حفازة أقل تكلفة ومتوفرة بصورة أوسع في الطبيعة عن العوامل الحفازة الأخرى التي كانوا يستخدموها في الماضي. وقد نُشرت الدراسة في دورية "نيتشر ماتريال" (Nature Material) في 24 فبراير/شباط 2022. 

ما هي العوامل الحفازة؟ 

هي مواد تُضاف إلى وسط التفاعل الكيميائي وتزيد سرعته دون أن يتم استهلاكها أو أن تؤثر على نواتج التفاعل، وتعمل هذه المواد على خفض طاقة الحالة الانتقالية للمواد الموجودة في التفاعل، وبالتالي تقل طاقة التنشيط، فتتغير طبيعة الحالة الانتقالية. وتنتشر العوامل الحفازة في الطبيعة عموماً، على سبيل المثال، الإنزيمات والبروتينات داخل جسم الكائن الحي، والتي تعمل على تكسير المواد وتحفيز تفاعلات حيوية ضرورية لاستمرار الحياة. 

ماذا يعني توليد الأكسجين؟ 

هي عملية تهدف إلى توليد جزيئات الأكسجين، ويمكن حصولها بطريقتين:

 

  • صناعياً: عبر تحفيز التفاعلات الكيميائية لتحليل الماء إلى أكسجين وهيدروجين. وفي هذه الحالة، لا بد من استخدام عوامل حفازة. 

 

يلجأ قطاع الصناعة إلى فصل جزيئات الأكسجين عن الماء لتغطية الاحتياجات البشرية، فالأكسجين يُستَخدم في إنتاج أنواع مفيدة من الوقود، لكن العوامل الحفازة المستخدمة في تسريع هذا التفاعل هي عناصر نادرة وباهظة الثمن مثل عنصر الإيريديوم، ما يصعب عملية إنتاج الوقود ويجعل تكلفتها عالية. 

اقرأ أيضاً: فيديو| محاضرة قصة الأكسجين؛ دراما الحياة والموت

ما فائدة الابتكار في مجال توليد جزيئات الأكسجين؟ 

تُستَخدم تفاعلات توليد الأكسجين للحصول على الأكسجين الذي يُستخدم كوقود أو يدخل في مجموعة من التفاعلات الكيميائية الأخرى، لصنع أنواع مختلفة من الوقود. كما يدخل الأكسجين في صناعة الأمونيا لاستخدامها في إنتاج السماد للأراضي الزراعية، إضافة إلى تقليل كمية انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون. وتتم كل هذه التفاعلات في وجود العوامل الحفازة، وهي مواد تسرع من معدل التفاعل دون أن تؤثر على المواد المتفاعلة أو النواتج، ويجب إضافتها إلى وسط التفاعل وإلا ستكون سرعة التفاعل بطيئة، وسيحتاج التفاعل إلى طاقة كبيرة حتى يكتمل. لذلك، يجب استخدام العوامل الحفازة. 

لحل مشكلة العوامل الحفازة المكلفة والنادرة، طور الباحثون هذه العوامل الحفازة غير المكلفة، والتي هي عبارة عن إطار مصنوع من "هيدروكسيد معدني عضوي"، فقد استخدموا هيدروكسيدات المعادن، مثل: هيدروكسيد النيكل وهيدروكسيد الحديد. على الرغم من أنّ هذه المعادن قد لا تكون مناسبة، لكن وجد الباحثون طريقة لجعلها ملائمة لهذا الهدف من خلال البناء النانوي للهيدروكسيدات بنظام فريد، فتصبح مناسبة للتفاعلات المرغوبة. 

استلهم الباحثون الفكرة من بحث سابق أنتج مواد تُسمى بـ "الأطر المعدنية العضوية" (MOFs)، وهي عبارة عن هياكل بلوية، تتكون من عُقد من أكسيد الفلز مرتبطة مع بعضها بجزيئات رابطة عضوية. 

وكانت فكرة الفريق البحثي الجديدة تتلخص في استبدال أكسيد الفلز بهيدروكسيد معادن محددة، وبالتالي يمكن الحصول على مواد قابلة للضبط، تتمتع بدرجة عالية من الثبات والاستقرار والعمل لفترات طويلة في ظروف التفاعل، ما يؤهلها لأن تكون محفزات ممتازة. 

يرى الباحثون أنّ الفكرة ما زالت تعمل على نطاق ضيق داخل المختبر، لكن من الأهداف القادمة توسيع نطاق استخدام تلك المواد في التفاعلات الكهروكيميائية، لتنتشر بصورة أفضل. وهذا سيُساعد في خفض التكلفة بسبب استخدام معادن رخيصة الثمن. إضافة إلى توليد الأكسجين واستخدامه في صناعة أنواع الوقود التي يحتاجها البشر في حياتهم.