محفز “التبريد” لثورة مستدامة في الكيمياء الصناعية

تمكن الباحثون في أستراليا من استخدام مستويات ضئيلة من البلاتين السائل لإنشاء تفاعلات كيميائية أرخص وأكثر كفاءة في درجات حرارة منخفضة ، مما يمهد الطريق لخفض كبير في الانبعاثات في الصناعات الرئيسية.

إذا تم دمجه مع الغاليوم السائل ، فإن الحجم هاتف صلب يجب أن يكون هذا المعدن الثمين صغيرًا بما يكفي لتوسيع احتياطيات الأرض بشكل كبير ، مع الاستمرار في توفير المزيد الحلول القياسية للمشاركة₂ التخفيض ، وتوليف الأمونيا في إنتاج الأسمدة ، وتكوين خلايا الوقود الخضراء ، مع العديد من الاستخدامات المحتملة في الصناعة الكيميائية.

هذه الاكتشافات ، التي تتمحور حول البلاتين ، ليست سوى قطرة في محيط من المعدن السائل عندما يتعلق الأمر بقوة هذه الأنظمة التحفيزية. من خلال توسيع هذه الطريقة ، قد تكون هناك مجموعات من أكثر من 1000 عنصر محتمل لأكثر من 1000 تفاعل مختلف.

سيتم نشر النتائج في المجلة كيمياء طبيعية الاثنين 6 يونيو.

البلاتين فعال للغاية كمحفز (محفز للتفاعلات الكيميائية) ولكنه لا يستخدم على نطاق واسع في الصناعة لأنه مكلف. معظم المحولات الحفازة ، بما في ذلك البلاتين ، لها تكاليف طاقة أعلى لتشغيلها.

بشكل عام ، فإن نقطة الانصهار 1700 درجة مئوية للبلاتين. وعندما يتم استخدامه كواحد الحالة الصلبة للأغراض الصناعية ، يجب أن يحتوي نظام المحفز المعتمد على الكربون على حوالي 10٪ بلاتين.

هذه ليست نسبة معقولة عند محاولة إنتاج مكونات ومنتجات للبيع التجاري.

قد يتغير ذلك في المستقبل ، بعد أن وجد العلماء في جامعة نيو ساوث ويلز وجامعة RMIT طريقة لاستخدام كميات صغيرة من البلاتين لخلق ردود فعل قوية.

قام الفريق ، الذي يضم أعضاء من مركز التميز ARC التابع لشركة Exciton Science ومركز ARC للتميز في تقنيات المستقبل منخفضة الطاقة ، بدمج البلاتين مع فراغ سائل ، والتي تبلغ درجة انصهارها 29.8 درجة مئوية فقط. درجة حرارة الغرفة في يوم حار. عندما يقترن مع الفراغ ، فإن البلاتين قابل للذوبان. بمعنى آخر ، يذوب ، وبدون إطلاق فرن صناعي كبير وقوي.

بالنسبة لهذه الآلية ، فإن المعالجة عند درجات حرارة عالية مطلوبة فقط في المرحلة الأولية ، عندما يذوب البلاتين في الغاليوم لتكوين نظام المحفز. ومع ذلك ، تبلغ درجة الحرارة 300 درجة مئوية فقط لمدة ساعة أو ساعتين ، ولا تقترب من درجات الحرارة المرتفعة الثابتة التي غالبًا ما تكون مطلوبة في الهندسة الكيميائية على نطاق صناعي.

الكاتب المساهم في جامعة نيو ساوث ويلز د. شبهها Jianpo Tong بالحدادة التي تستخدم الطرق الساخنة لصنع معدات تدوم لسنوات عديدة.

قال: “إذا كنت تعمل بالحديد والصلب ، فعليك تسخينها لصنع أداة ، ولكن إذا كانت لديك الأداة ، فلن تضطر إلى إعادة تسخينها”.

“جرب آخرون هذا النهج ، لكن يتعين عليهم تشغيل أنظمة الحفازات الخاصة بهم في درجات حرارة عالية جدًا طوال الوقت.”

لإنشاء محفز فعال ، يجب على الباحثين استخدام نسبة أقل من 0.0001 من البلاتين إلى الغاليوم. بشكل ملحوظ ، النظام الناتج هو أكثر كفاءة 1000 مرة من منافسه ذو الحالة الصلبة (يجب أن يكون البلاتين أكثر تكلفة بنسبة 10٪ للعمل)

المزايا لا تتوقف عند هذا الحد – نظرًا لأنه نظام قائم على السوائل ، فهو موثوق للغاية. تتوقف أنظمة محفز الحالة الصلبة في النهاية وتتوقف عن العمل. ليست هذه هي المشكلة هنا. مثل ميزة المياه مع النافورة المدمجة ، تجدد آلية السائل نفسها ، وتنظم أدائها ذاتيًا على مدى فترة طويلة من الزمن وتتجنب التفاعل المكافئ لنفايات البركة التي تتشكل على السطح.

Dr. M.D.، محرر رئيسي، UNSW Sydney؛ قال أريبور رحيم: “منذ عام 2011 ، تمكن العلماء من جعل الأنظمة التحفيزية أصغر من المستوى الذري للمعادن النشطة. ذرات مفردة تتطلب الأنظمة التقليدية ، المنفصلة عن بعضها البعض ، مقاييس صلبة (مثل الجرافين أو أكسيد المعدن) لتثبيتها. فكرت ، لماذا لا تستخدم مصفوفة سائلة بدلاً من ذلك ونرى ما سيحدث.

“ذرات المحفز المجمعة في مصفوفة صلبة غير قابلة للحركة. لقد أضفنا الحركة إلى ذرات المحفز عند درجات حرارة منخفضة باستخدام مصفوفة الغاليوم السائل.”

هذه الآلية متعددة الاستخدامات بما يكفي لأداء تفاعلات الأكسدة والاختزال ، حيث يتم توصيل الأكسجين أو نقله إلى جسم ما ، على التوالي.

كان على الباحثين في جامعة نيو ساوث ويلز حل بعض الألغاز لفهم هذه النتائج الرائعة. باستخدام الكيمياء الحاسوبية المتقدمة والنمذجة ، تمكن زملاؤهم في RMIT بقيادة البروفيسور سالفي روسو من تحديد البلاتين على مستوى الذرات الفردية التي لا تتصلب أبدًا.

زميل أبحاث إكسيدون للعلوم د. كشف Nastran Meftahi عن أهمية عمل النمذجة لفريق RMIT.

وقال “ما وجدناه هو أن ذرتي البلاتين لم تتفاعل مع بعضهما البعض”.

“يتم فصلهم دائمًا بواسطة ذرات الغاليوم. لا يتشكل البلاتين الصلب في هذا النظام. إنه دائمًا مشتت كذرات داخل الغاليوم.

والمثير للدهشة أنه في الواقع يقوم بوظيفة تنشيط التفاعل الكيميائي المرغوب للغاليوم ، والذي يعمل تحت تأثير ذرات البلاتين.

د. إكسيدون باحث مشارك في العلوم في RMIT أوضح أندرو كريستوفرسون مدى ابتكار هذه النتائج: “يقع البلاتين في الواقع تحت السطح مباشرة وينشط ذرات الغاليوم من حوله. مكنسة تحت تأثير البلاتين.

“لكن بدون البلاتين هناك ، لم يكن ليحدث. إنه مختلف تمامًا عن رد الفعل الذي أظهره أي شخص آخر ، وأنا أعلم أنه مجرد شيء تم عرضه فقط من خلال عرض الأزياء.”

مُقدم من مركز ARC للتميز في علوم إكستر