معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يطوّر منهجية جديدة لفحص المحفّزات المستخدمة في التخليق الكهروكيميائي للأمونيا

أخبار ar.wedoany.com، طوّر باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) منهجية جديدة لفحص المحفّزات المستخدمة في التخليق الكهروكيميائي للأمونيا، تعتمد على تحديد الخصائص الفيزيائية الرئيسية التي تتحكم في النشاط التحفيزي، مما يقلّص بشكل كبير الوقت اللازم للعثور على محفّزات عالية الكفاءة من بين آلاف التركيبات المعدنية، ويدعم بذلك مسارًا بديلًا منخفض الانبعاثات لإنتاج الأمونيا يحل محل عملية هابر-بوش التقليدية (Haber-Bosch process).

تُعدّ الأمونيا مادة كيميائية بالغة الأهمية، إذ يحتل إنتاجها المرتبة الثانية عالميًا بعد حمض الكبريتيك، وتُستخدم بشكل رئيسي في صناعة الأسمدة. ويستهلك إنتاج الأمونيا حاليًا نحو 2% من الطاقة العالمية، ويسهم بنحو 1.5% من انبعاثات الغازات الدفيئة. ولا يزال أكثر من 90% من الإنتاج الحالي يتم عبر عملية هابر-بوش التي يعود تاريخ استخدامها إلى أكثر من قرن، وتعتمد على الوقود الأحفوري لتوفير الحرارة اللازمة للتفاعل، كما أن مرحلة إنتاج الهيدروجين تعتمد أيضًا بشكل أساسي على الوقود الأحفوري. ويتجنّب التخليق الكهروكيميائي للأمونيا ظروف الضغط ودرجة الحرارة المرتفعة، لكن معدلات الإنتاجية وكفاءة التفاعل لم تبلغ بعد المستوى المطلوب للتطبيق الصناعي. ومع بلوغ الاستهلاك العالمي السنوي للأمونيا نحو 200 مليون طن متري، بات البحث عن طرق إنتاج أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وأقل انبعاثًا للكربون تحديًا رئيسيًا أمام القطاع.

ركّز فريق البحث على مواد نيتريدات المعادن الانتقالية. وتتميز هذه المركبات باحتواء نيتريدها الداخلي على نيتروجين يشارك في التفاعل، مما يوفّر جزءًا من الطاقة اللازمة للخطوات اللاحقة، ويسهم في تجاوز العقبة الرئيسية في تفاعل اختزال النيتروجين، وهي الطاقة العالية المطلوبة لكسر الروابط القوية في جزيء النيتروجين. غير أن مسار التفاعل الكامل لا يزال مقيدًا بخطوات مثل تفكك النيتروجين ونقل الهيدروجين. وأوضحت البروفيسورة بيلجي يلديز (Bilge Yildiz) من قسم العلوم والهندسة النووية وقسم علوم وهندسة المواد في MIT أن الفريق قام أولًا بتقييم العلاقة بين الخصائص المجهرية للمواد ونشاطها في اختزال النيتروجين، ثم استخدم محاكاة نظرية الكثافة الوظيفية (density functional theory) وتقنيات التعلم الآلي لتحديد خطوات التفاعل المقيّدة، والتنبؤ بالتركيبات المعدنية القادرة على تجاوز هذه القيود.

يعتمد تطوير المحفّزات التقليدي على التجربة والخطأ عبر ملايين التركيبات المعدنية، وهو ما يستغرق سنوات. وتحوّل المنهجية الجديدة عملية الفحص من البحث العشوائي إلى استهداف قائم على الخصائص الفيزيائية. وأشار أثانيتيس (Athanitis) إلى أنه في حال التوصّل إلى محفّز يقلّل في الوقت نفسه الطاقة اللازمة للتفاعل ويعزّز انتقائية إنتاج الأمونيا، فسيكون بالإمكان زيادة إنتاج الأمونيا مع الحد من التفاعلات الجانبية غير المرغوبة.

وأشاد البروفيسور داين مورغان (Dane Morgan) من جامعة ويسكونسن (University of Wisconsin) بهذا العمل، معتبرًا أنه يسهم في توضيح العلاقة بين الخصائص الإلكترونية الأساسية للمواد ودورها التحفيزي، ويمكن أن يوفّر توجيهًا قيّمًا لتصميم جيل جديد من محفّزات إنتاج الأمونيا. وأشار في الوقت نفسه إلى أن هذه الدراسة لا تزال في مرحلتها النظرية، إذ لم تخضع المواد بعد للتصنيع والاختبار الفعلي، وأن الانتقال من الفحص الحسابي إلى محفّزات قابلة للتطبيق العملي يتطلب خطوات إضافية عديدة. ويخطط فريق البحث في المرحلة المقبلة لبناء خلية تفاعل عملية لتقييم أداء المواد المرشّحة في إنتاج الأمونيا تحت ظروف تشغيل حقيقية.