حذف الوسيط يعزز انتاجية الهيدروجين كوقود نظيف الاحتراق

اِسْتَخْلَصَ الباحثون طريقة عامة لإنتاج عوامل حفَّازة أفضل للتفاعلات الكهروكيميائية، ذلك عن طريق تَوْصِيل جزيء العامل الحفَّازُ مع قُطْب كهربائي من الجرافيت إلكترونيًا. هذا الإنجاز، الذي قُدِمَ خلال اللقاء الوطني للجمعية الكيميائية الأمريكية في سان دييغو يوم الإثنين 26 أغسطس، يُمْكِن أن يُؤَدِّي الى استراتيجيات جديدة لتَصميم العوامل الحفَّازة التي تتوسط تفاعلات انْشِطارالماء لتوليد وقود الهيدروجين النظيف الاحتراق

تُعتبرُ العوامل الحفَّازة الكهربائية، عنصر أساسي لإجراء تفاعلات انْشِطارالماء بسرعة وكفاءة. يستطيع الباحثون استخدام الطاقة الكهربائية وفي وجود العامل الحفاز المناسب، لشَطْر جزيء الماء الى غازِ الأكسجين ووقود الهيدروجين النظيف الاحتراق. يَلْعَب الوسيط دور الوسط الجزيئي، حيث يُمرِّر الطاقة الكهربائية من القُطْب الى جزيء الْمَادَّةُ المُتَفَاعِلة، موجهًا تحول الجزيء المُتَفَاعِل خلال سلسة من الخطوات.

ركز العلماء لسنوات طويلة، على إيجاد الوسيط المناسب لشطر الماء ولتفاعلات كهروكيميائية اخرى. اكتُشِفَ العديد من العوامل الحفازة الوسيطة ذات النشاط العالي، لكن كان هنالك بعض التنازلات. يتوجب على الوسيط للقيام بعمله، الخضوع لتفاعل أكسدة واختزال ثم يقوم بتفاعل الحفز. هذا الترتيب التدريجي يعيق تفاعل الحفز لأنه يجب تًلبية “احتياجات” الوسيط. على سبيل المثال، يجب أن يُجرَّي التفاعل عند جهد كهربي وشدة تيار ملائمان للوسيط وليس فقط للمواد المُتَفَاعِلة. ولن يستمر التفاعل حتى يكوِّن الوسيط مركبات وسيطة من تفاعلات الأكسدة والاختزال العالية الطاقة.

أوضح يوغيش سيرندراناس (Yogesh Surendranath) من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أن ربط الوسيط بشريحة مُترافِقة سداسية الحلقات في قُطْب الجرافيت الكهربائي – بمعنى جعل القُطْب والوسيط كيانًا جزيئيًا مقترنًا واحدًا – سوف يتجاوز ترتيب الوسيط والقيود المصاحبة لذلك الترتيب.

خلال اللقاء (في سان دييغو)، أعلن سيرندراناس (Surendranath)، أن أعضاء من فريق عمله ومن ضمنهم ميغان إن. جاكسون (Megan N. Jackson)، استطاعوا جعل هذه الإستراتيجية تعمل. لقد قام الفريق بإقران اصطناعي للعامل الحفاز الخاص بشطر الماء ومركب معقد من الروديوم العضوي مع قُطْب جرافيت. يدفع هذا المُرَكَّب المُعَقَّد تفاعل تصاعد الهيدروجين (HER)، الذي يَدمُج البروتونات والإلكترونات؛ إلى تشكيل الهيدروجين الجزيئي.

وفي وصفه لبحث فريق عمله في ندوة نظمها قسم الكيمياء اللاعضوية (في لقاء الجمعية الكيميائية الأمريكية)، قال سيرندراناس (Surendranath)، ان الفريق قام بإجراء اختبارات تحكم لمُقارَنَة مُرَكَّب الروديوم المُعَقَّد الموجود في أشكال الجرافيت المترافقة والغير مترافقة. أظهرت نتائج التحليل الطيفي المقدمة من قبل الفريق البحثي أن مسار التفاعل يمر بعدة خطوات متضمنًا تشكيل عِدّة مركبات وسيطة في تفاعل الأكسدة والاختزال، في حين أن المُرَكَّب المُعَقَّد المُقْترَن يسلك طريقًا مباشرًا للتفاعل (J. Amer. Chem. Soc. 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b04981).

وَصَفَت جيليان إل. ديمبسي (Jillian L. Dempsey) من جامعة ولاية كارولينا الشمالية في تشايل هيل، إستراتيجية الاقتران بأنها إبداعيةانه مع تجنب طرق الأكسدة والاختزال المعقدة فإن الباحثون وجدوا طريقًا جديدًا لتفاعل تصاعد الهيدروجين (HER). وأضافت بانها تتوقع أن هذا النهج يمكن أن يكون له تطبيقات لتحضير عوامل حفازة جديدة ذات كفاءة أعلي في إنتاج الوقود.

يقول جييف واررن (Jeff Warren) خبير الحفز الكيميائي في جامعة سايمون فريزر: «إن الفريق قدم برهنة متكاملة للطريقة الفريدة التي يؤدي بها العامل الحفاز الكهربائي الجزيئي عملة، عندما تم توصيلة عن طريق الاقتران الى بنية النطاق الإلكتروني مع القُطْب الكهربائيان هذا العمل يعد تقدمًا هامًا ذو آثار واسعة على تصميم العوامل الحفَّازة.