حقق علماء من جامعة طوكيو الحضرية اختراقاً علمياً مهماً يمهّد الطريق لتطوير تقنيات جديدة وأكثر استدامة لإنتاج الأمونيا، وهي مادة أساسية في الزراعة والصناعة، ولأول مرة تمكن الباحثون من كشف الآلية الدقيقة لعمل محفز يعتمد على أكسيد النحاس خلال عملية الاختزال الكهروكيميائي للنترات، وهي خطوة جوهرية للوصول إلى إنتاج أمونيا منخفضة الانبعاثات.

يأتي هذا الإنجاز في وقت تُعد فيه عملية هابر بوش التقليدية مسؤولة عن نحو 1.5% من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عالمياً، فضلاً عن استهلاكها العالي للطاقة والاعتماد على درجات حرارة وضغوط مرتفعة. أما التقنية الجديدة، فتوفر إمكانية إنتاج الأمونيا في درجة حرارة الغرفة وبضغط جوي عادي، ما يعد بثورة في عالم الكيمياء الخضراء.

كيف كشف العلماء آلية عمل المحفز؟

اعتمد فريق البحث بقيادة البروفيسور فوميأكي أمانو على تقنيات امتصاص الأشعة السينية عالية الدقة لمراقبة التغيرات البنيوية والإلكترونية للمحفز في الزمن الحقيقي أثناء التفاعل.

خطوات التجربة:

تثبيت جسيمات نانوية من أكسيد النحاس على ألياف كربونية.

تغيير قيم الجهد الكهربائي أثناء التفاعل.

تتبّع التغيرات البنيوية لموقع أكسيد النحاس وحالته الإلكترونية.

نتيجة المرحلة الأولى:

عندما طبّق العلماء جهداً موجباً، لاحظوا أن:

أيونات النترات ترتبط بسطح المحفز وتقوم بـتثبيطه (passivation).

يتحول جزء من النترات إلى أيونات النتريت.

يمنع هذا الارتباط حدوث تغييرات في بنية المحفز.

لكن المفاجأة ظهرت في المرحلة التالية.

التحول الحاسم: دور النحاس المعدني

عند رفع الجهد السلبي إلى مستوى معين، لاحظ العلماء قفزة مفاجئة في كمية الأمونيا المتشكلة. وبتحليل البيانات، تأكدوا من أن هذه القفزة ناتجة عن ظهور جزيئات من النحاس المعدني داخل النظام.

أظهرت التجربة:

تكوّن روابط Cu–Cu مميزة تدل على وجود النحاس المعدني.

النحاس المعدني هو العامل الفعال في المرحلة النهائية من التفاعل.

يقوم هذا النحاس المعدني بتحفيز عملية ارتباط الهيدروجين بأيونات النتريت، ما يؤدي في النهاية إلى تكوين الأمونيا.

ما أهمية هذا الاكتشاف؟

هذا الاكتشاف يقلب الفرضيات السابقة رأساً على عقب، ويحدد للمرة الأولى المركز النشط الحقيقي للمحفز في هذه العملية الحيوية.

أثر النتائج على تطوير محفزات أكثر كفاءة

الدراسة توفر الآن أساساً علمياً واضحاً لفهم كيفية:

تأثير تثبيط السطح على أداء المحفز.

أهمية التحكم الدقيق في نسبة تشكّل النحاس المعدني لضمان أعلى إنتاجية ممكنة.

وتفتح هذه المعرفة الباب نحو:

تحسين المحفزات القائمة

تصميم مواد جديدة عالية الكفاءة لإنتاج الأمونيا بشكل نظيف

تعزيز تقنيات الكيمياء الخضراء وتقليل الانبعاثات الصناعية

تُعد الأمونيا أساساً لإنتاج الأسمدة والعديد من المواد الكيميائية، ولذلك فإن تطوير طريقة صديقة للبيئة لإنتاجها يُعد خطوة مهمة نحو مستقبل صناعي أكثر استدامة.