حطم العلماء رقما قياسيا مذهلا بشأن نقطة انصهار البلاتين
الغاليوم السائل.
اكتشف العلماء كيفية جعل البلاتين بأسعار معقولة كمحفز : تحويله إلى سائل منخفض الحرارة.
من المعروف منذ قرون أن المعادن النبيلة مثل البلاتين والذهب والروثينيوم والبلاديوم تشكل محفزات ممتازة للتفاعلات الكيميائية ، لأنها تساعد في كسر الروابط الكيميائية بين الذرات بشكل أكثر كفاءة من المعادن الأخرى.
لكن المعادن النبيلة نادرة وباهظة الثمن ، لذلك يختار المصنّعون على نطاق واسع عمومًا بدائل أرخص وأقل فعالية مثل الحديد. (يستخدم الحديد كعامل مساعد في الإنتاج الضخم للأسمدة ، على سبيل المثال).
الجانب السلبي لاستخدام محفزات ذات جودة رديئة هو أنه يجب تسخين التفاعلات الكيميائية إلى درجات حرارة عالية ، مما يزيد من البصمة الكربونية للعديد من العمليات الصناعية.
في إنجاز قياسي ، قام باحثون من UNSW Sydney و RMIT في أستراليا بإذابة البلاتين في الغاليوم السائل ، مما أدى إلى تقسيم ذرات البلاتين بحيث يكون هناك المزيد من الإمكانات التحفيزية في كمية أقل من البلاتين.
عادة ما يكون البلاتين درجة حرارة انصهار 1700 درجة مئوية (3092 فهرنهايت) ، مما يعني أنه عادة ما يكون مادة صلبة عند استخدامه كعامل مساعد.
عن طريق غرس البلاتين في مصفوفة الغاليوم ، فإنه يتبنى نقطة انصهار الغاليوم - معدن ناعم وفضي وغير سام يذوب أساسًا في درجة حرارة الغرفة البالغة 29.8 درجة مئوية. إحدى الخصائص المفيدة للغاليوم السائل هي أنه يذيب المعادن (مثل الماء يذيب الملح والسكر) عن طريق فصل الذرات الفردية في كل جزيء.
يقول الباحثون إن الاختراع لديه القدرة على توفير تكاليف الطاقة وخفض الانبعاثات في التصنيع الصناعي.
قال المؤلف الرئيسي والمهندس الكيميائي إم.
يشرح رحيم أن العلماء يحاولون جعل المحفزات المعدنية النبيلة باهظة الثمن بأسعار معقولة من خلال عملية "التصغير" منذ عام 2011.
عندما تكون المعادن صلبة ، يمكن استخدام الذرات الموجودة في الخارج فقط في التفاعلات ، لذلك هناك الكثير من النفايات. إذا قمت بتقسيم هذه المادة الصلبة إلى كتل أصغر وأصغر (فكر في الجسيمات النانوية) ، فستحصل على تفاعل أكثر فاعلية حيث يمكن أن تتضخم ذرات معدنية أكثر - تعمل العديد من الأيدي على عمل خفيف.
النظام الأكثر كفاءة وأصغر من شأنه أن يجعل كل ذرة فردية متاحة للقيام بعمل المحفز.
يقول رحيم: "عندما تقوم بتصغير النظام ، فإنك تزيد من نسبة السطح إلى الحجم وكفاءة استخدام الذرة بحيث يصبح استهلاكك العام للمحفز أقل بمرور الوقت ، وقد يجعل ذلك منتجك في متناول الجميع".
"نظريًا ، تحصل على أقصى قدر من الكفاءة لهذا المعدن الحفاز عندما يكون على النطاق الذري ، لأنه لا يمكنك تجاوز ذلك."
في المحفزات أحادية الذرة ، تنقسم الروابط التي تربط المحفز معًا وتربط كل ذرة على حدة في مادة تسمى مصفوفة.
لذلك ، اختبر رحيم وزملاؤه الغاليوم كمصفوفة لهم. بمجرد إذابته في الغاليوم ، وجدوا أن كل ذرة بلاتين تنقسم عن كل ذرة بلاتين أخرى ، مما يجعلها حفازًا مصغرًا مثاليًا.
كتب الباحثون في ورقتهم البحثية: "عندما تتحلل ، تتشتت ذرات البلاتين مكانيًا في مصفوفة الغاليوم السائل دون تكتل ذري (أي ، غياب الترابط البلاتيني والبلاتيني) يمكن أن يؤدي إلى تفاعلات تحفيزية مختلفة ذات نشاط جماعي ملحوظ".
يكون البلاتين متحركًا عندما يكون في مصفوفة سائلة ، وأقل عرضة لمشكلة فحم الكوك ، حيث يتم تغطية المحفزات الصلبة بالكربون وتحتاج إلى التنظيف قبل إعادة استخدامها.
الغاليوم ليس رخيصًا مثل الحديد. ولكن يمكن استخدامه مرارًا وتكرارًا لنفس ردود الفعل. هذا لأنه ، مثل البلاتين ، لا يتم تعطيل نشاط الغاليوم أو تدهوره أثناء التفاعل.
تتطلب عملية إذابة البلاتين في الغاليوم رفع درجة الحرارة إلى حوالي 400 درجة مئوية لبضع ساعات. يقول الباحثون إن هذا استثمار لمرة واحدة للطاقة يوفر المزيد من ارتفاع درجات الحرارة لاحقًا أثناء عملية التصنيع الكيميائي .
يأمل الفريق أن تؤدي تقنيتهم إلى منتجات أنظف وأرخص بكثير ، من الأسمدة إلى خلايا الوقود الخضراء.