أخبار ar.wedoany.com، عرض باحثو جامعة فيينا للتكنولوجيا (TU Wien) كيفية تحقيق تخليق الأمونيا باستخدام الطاقة الشمسية والماء والهواء ومحفزات معدنية عضوية، وذلك من خلال تحسين تصميم المحفزات. ويقدم هذا البحث رؤى رئيسية لتطوير تقنيات إنتاج أمونيا أكثر كفاءة واستدامة.
تقوم عملية هابر-بوش (Haber–Bosch process)، التي طُوّرت منذ أكثر من قرن، بتحويل النيتروجين الموجود في الهواء إلى أمونيا، لتصبح المكون الأساسي لمعظم الأسمدة الاصطناعية. ويعتمد اليوم حوالي نصف إنتاج الغذاء العالمي على الأسمدة المشتقة من الأمونيا، مما يجعل عملية هابر-بوش واحدة من أهم الابتكارات الصناعية في تاريخ البشرية. ومع ذلك، فإن الطاقة اللازمة لإنتاج الأمونيا تساهم بنحو 1.2% من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية، مما يدفع الباحثين في جميع أنحاء العالم إلى البحث عن طرق إنتاج أنظف وأكثر استدامة. وقد طور العلماء مسارًا بديلاً ومستدامًا لتخليق الأمونيا باستخدام الأطر المعدنية العضوية (MOFs) كمحفزات. أثبت باحثو جامعة فيينا للتكنولوجيا الآن أنه يمكن ضبط بنية الأطر المعدنية العضوية بشكل خاص لتنظيم خصائصها التحفيزية، مما يوفر رؤى قيمة لتصميم تقنيات إنتاج أمونيا أكثر كفاءة واستدامة. هذا المشروع هو ثمرة تعاون دولي: حيث جاءت القياسات الرئيسية من جامعة فرجينيا للتكنولوجيا (Virginia Tech) في الولايات المتحدة، بينما تم تنفيذ المحاكاة الحاسوبية من قبل معهد التخنيون - إسرائيل للتكنولوجيا (Technion – Israel Institute of Technology).
لإنتاج الأمونيا (NH₃)، يجب أولاً تنشيط جزيئات النيتروجين الموجودة في الهواء على شكل N₂، لجعلها تتفاعل مع الهيدروجين. هذه واحدة من أقوى الروابط في الكيمياء، حيث ترتبط ذرتا النيتروجين برابطة ثلاثية مستقرة للغاية. في عملية هابر-بوش التقليدية، تتطلب هذه العملية ضغطًا يتجاوز 150 بارًا ودرجة حرارة لا تقل عن 400 درجة مئوية، مما يجعل العملية شديدة الاستهلاك للطاقة بسبب هذه الظروف القاسية. أما الطبيعة فتقدم طريقة أكثر اعتدالًا: فبعض البكتيريا تستخدم إنزيمات النيتروجيناز المحتوية على الحديد لربط وتحويل جزيئات النيتروجين في ظروف معتدلة. ويمكن تحقيق تأثير مماثل باستخدام الأطر المعدنية العضوية (MOFs)، وهي مواد مسامية ترتبط فيها أيونات معدنية بمركبات عضوية محددة لتشكيل هياكل أكبر. "تمامًا مثل إنزيمات النيتروجيناز الطبيعية، نستخدم الحديد في أطرنا المعدنية العضوية - وهو معدن رخيص نسبيًا ومتوفر بسهولة"، كما تقول الدكتورة كورنيليا باكمان من جامعة فيينا للتكنولوجيا. "السؤال الرئيسي في بحثنا هو: كيف يمكننا ضبط الروابط العضوية لجعل المادة قادرة على إنتاج الأمونيا؟"
"عندما يمتص الإطار المعدني العضوي الضوء، تتولد حالة مثارة، ويعاد توزيع الشحنات، خاصة نحو مركز الحديد"، كما يقول البروفيسور دومينيك إيدر من جامعة فيينا للتكنولوجيا. "تعمل الروابط العضوية المحيطة على تنظيم خصائص الإطار المعدني العضوي، مما يؤثر على أدائه التحفيزي." وبهذه الطريقة، تؤثر الروابط العضوية على حركية نقل الإلكترون، وقوة ارتباط النيتروجين، وإمكانية وصول البروتونات من الماء المحيط إلى المواقع النشطة. بمجرد أن يلتصق جزيء النيتروجين بموقع حديدي مناسب، تضعف رابطته الثلاثية المستقرة للغاية ويصبح أكثر نشاطًا، ثم يتحول الجزيء تدريجيًا إلى أمونيا من خلال عمليات نقل متتالية للإلكترونات والبروتونات.
"لقد أظهرنا أن التغييرات الطفيفة في الروابط العضوية يمكن أن تغير بشكل كبير نشاط المحفز"، كما تقول يانا بيشوف، المؤلفة الأولى للدراسة والباحثة في معهد كيمياء المواد بجامعة فيينا للتكنولوجيا. "لقد درسنا سلسلة من الأطر المعدنية العضوية التي تحتوي على روابط عضوية مختلفة لفهم كيفية تنظيم نشاط إنتاج الأمونيا." العمل الحالي ليس بعد إشارة انطلاق للإنتاج الصناعي للأمونيا، ولكنه خطوة مهمة في هذا الاتجاه. تفتح الأطر المعدنية العضوية (MOFs) آفاقًا واعدة جديدة لتصميم محفزات مخصصة لعمليات بالغة الأهمية عالميًا وتتطلب طاقة كبيرة، مثل تخليق الأمونيا.
تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com
