تجزیهی ترکیبات شیمیایی با کاتالیزوری جدید
مجله علمی ایلیاد - گروهی از دانشمندان، کاتالیزوری کشف کردهاند که توسط نورهای مرئی فعال میشود و میتواند دیاکسیدکربن را به مولکولهای سازندهی مواد شیمیایی مفید تبدیل کند. این کشف استفاده از نور خورشید برای تبدیل گازهای گلخانهای به سوختهای هیدروکربنی را ممکن میسازد. دانشمندان از «NSLS II» به عنوان جزئی از وزارت انرژی آمریکا در آزمایشگاه ملی بروکاون برای کشف جزئیات این واکنش کارآمد استفاده کردهاند. طی این واکنش، یون منفرد کبالت برای پایین آوردن انرژی شکست دیاکسیدکربن استفاده شده است. مقالهی این دانشمندان در مجلهی Journal of the American Chemical Society به چاپ رسیده است.
تبدیل دیاکسیدکربن به ترکیبات سادهتر، مثل مونواکسید کربن و اکسیژن، دارای کاربردهای واقعی و ارزشمندی است. «آنتونی فرنکل» شیمیدان آزمایشگاه بروکاون و دانشگاه بروک استونی، میگوید: «با شکستن دیاکسیدکربن در واقع دو هدف را با یک تیر زدهایم؛ هم دیاکسیدکربن را از جو حذف کردهایم و هم مواد اولیهی تولید سوخت ساختهایم.» فرنکل تلاشهای مربوط به درک فعالیت کاتالیزور را که توسط «گنگو لی» شیمیفیزیکدان دانشگاه نیوهمپشایر، ساخته شده بود را رهبری کرده است.
فرنکل میگوید: «اکنون ما شواهدی داریم مبنی بر اینکه یک کاتالیزور تک سایت ساختهایم. هیچکدام از کارهای گذشته، در مورد شکستن خورشیدی دیاکسیدکربن گزارشی ندادهاند.» شکستن پیوندهای دیاکسیدکربن انرژی و زمان زیادی لازم دارد و گنگو لی تلاش خود را معطوف یافتن کاتالیزوری کرد که سد انرژی پیوندی آنرا کاهش دهد و سرعت انجام واکنش را افزایش دهد.
به گفتهی فرنکل، سوال این است که بین چندین کاتالیزور ممکن، کدام یک موثرتر و در صنعت عملیاتیتر است. یکی از نیازها برای شکستن پیوندهای دیاکسیدکربن وجود الکترون است. این الکترونها زمانی میتوانند تولید شوند که مواد نیمهرسانا توسط انرژی نوری، فعال شده باشند. نور باعث بیرون انداختن الکترون از مدار اتم میشود و آنرا برای انجام واکنشهای شیمیایی در دسترس قرار میدهد. نور خورشید منبعی طبیعی برای چنین نوری است. ولی بسیاری از نیمهرساناها فقط میتوانند با نور فرابنفش فعال شوند؛ نوری که کمتر از ۵ درصد طیف خورشیدی را شامل میشود.
فرنکل میگوید: «چالش اصلی، یافتن مادهی نیمهرسانای دیگری است که انرژی نور خورشید باعث به بیرون پرتاب شدن الکترونهای آن شود.» همچنین لازم است که مادهی نیمهرسانا با یک کاتالیزور که در طبیعت بهوفور یافت میشود، ترکیب شود؛ مثلاً مادهی کمیاب و گران پلاتین برای این منظور مناسب نیست. همچنین کاتالیزور باید به اندازهای انتخابی عمل کند که فقط واکنش تبدیل دیاکسیدکربن به کبالت را تسریع کند.
فرنکل میگوید: «ما نمیخواهیم الکترونهای آزاد شده توسط واکنشهای دیگر استفاده شوند.» یونهای کبالت در ترکیب با نیترید کربن گرافیتی «C3N4»، مادهای نیمهرسانا است که از کربن، نیتروژن و هیدروژن ساخته شده و همهی نیازهای مورد نظر را برآورده میکند.
لی میگوید: «مزایای زیادی در استفاده از C3N4 وجود دارد؛ این ماده، نوعی نیمهرسانا است که فلز در آن وجود ندارد و با استفاده از نور مرئی واکنشهای شیمیایی را تسریع میکند. الکترونهای آزاد شده توسط این ماده، طول عمر زیادی ندارند که بتوانند به سطح نیمهرسانا برای استفادهی واکنشهای شیمیایی برسند. در این مطالعه، ما از استراتژی خاصی برای تولید الکترونهای پُرانرژی در کاتالیزور استفاده کردهایم. با این استراتژی ما فقط بر واکنش دیاکسیدکربن تمرکز میکنیم. در نهایت ما میخواهیم از مولکولهای آب بهعنوان دهندهی الکترون استفاده کنیم.»
فرنکل میگوید: «این کاتالیزور دقیقاً همان کاری را انجام میدهد که مورد انتظار است؛ تبدیل دیاکسیدکربن به کبالت، با قدرت انتخابی بالا در معرض نور مرئی. هدف بعدی این است که بررسی کنیم چرا این کاتالیزور کار میکند. اگر بفهمیم که چرا کار میکند، میتوانیم مواد جدید و بهتری را بر اساس آن اصول بسازیم.»
فرنکل و لی آزمایشهای متعددی برای پیدا کردن ساختار دقیق کاتالیزور انجام دادند. با پیدا کردن ساختار کاتالیزور، دانشمندان میتوانند تعداد اتمهای کبالت، موقعیت آنها نسبت به اتمهای کربن و نیتروژن و دیگر مشخصات را پیدا کنند و بدین طریق شاید بتوانند کاتالیزور را بهبود بخشند.
دانشمندان از جذب و پراکندگی اشعهی ایکس در NSLS-II برای استفاده در طیفسنجی استفاده کردهاند. در این روش، اشعههای ایکس توسط اتمهای موجود در نمونه جذب میشوند و موجهایی از الکترون را به بیرون پرتاب میکنند. طیف بهدست آمده، نشان میدهد که این الکترونها چگونه با اتمهای اطراف فعل و انفعال دارند.
«ارلیچ» متخصص اشعهی ایکس، میگوید: «برای اینکه بتوانیم از طیفسنجی جذبی اشعهی ایکس استفاده کنیم، باید انرژی اشعهی ایکس تابیده شده به نمونه را تنظیم و کنترل کنیم. هر عنصر قادر به جذب اشعهی ایکس با انرژیهای مختلف است. در دستگاه جذب و پراکندگی اشعهی ایکس جدید، ما میتوانیم انرژی اشعهی ایکس را برای عناصر مختلف تحت نظر داشته باشیم. در مرحلهی بعد، تعداد فوتونهای جذب شده توسط نمونه در هر مقدار انرژی اشعهی ایکس را اندازهگیری میکنیم.»
فرنکل میگوید: «هر نوع از اتم در اثر برانگیخته شدن توسط اشعهی ایکس و یا برخورد با موجهای دیگر، انواع مختلفی از الکترون را ایجاد میکند و بنابراین طیف جذبی اشعهی ایکس، نشان میدهد که اتمهای اطراف چه عنصری هستند، چقدر با یکدیگر فاصله دارند و تعداد آنها چقدر است.» آنالیزها نشان داد که کاتالیزور مورد نظر، حاوی یون کبالتی است که از همه طرف توسط اتمهای نیتروژن احاطه شده است. فرنکل میگوید: «این اطلاعات میتواند به نظریهپردازها کمک کند تا بررسی کامل و درک بهتری از واکنشها داشته باشند.»
به گفتهی فرنکل، علومی که در این مقاله به آن اشاره شده، هنوز به مرحلهی عملی نرسیده است؛ ولی کاربردهای فراوانی برای آن محتمل است. شاید در آینده بتوان از این کاتالیزور در مقیاس بزرگ برای تبدیل دیاکسیدکربن به کبالت استفاده کرد و سپس از کبالت برای تولید سوخت و یا دیگر مواد شیمیایی سودمند، استفاده کرد.
نوشته: ScienceDaily
ترجمه: امید محمدی – مجله علمی ایلیاد