يمكن للبنية الذرية المخفية المتكونة من أكسيد النيكل أن تعمل على تمكين محفزات الميثان القوية التي تستخدم النيكل أقل بعشر مرات.
يمكن أن يصبح إنتاج الغاز الاصطناعي بكفاءة من الميثان أسهل من خلال فهم أفضل لما يحرك التفاعل فعليًا على المستوى الذري. تعتبر الأكسدة الجزئية للميثان (POM) طريقة صناعية واعدة لصنع الغاز الاصطناعي، وهو خليط يستخدم على نطاق واسع كمواد أولية للوقود والمواد الكيميائية.
لسنوات عديدة، نظر العلماء عمومًا إلى جسيمات النيكل المعدنية (Ni) النانوية باعتبارها المراكز التحفيزية النشطة المسؤولة عن التفاعل. ولكن كان هناك قدر كبير من عدم اليقين. قد لا يكون النيكل المعدني الذي تم العثور عليه بعد التفاعل هو المادة التي تقوم فعليًا بالتحفيز. وبدلاً من ذلك، يمكن أن يتشكل لاحقًا عندما يتم اختزال أكسيد النيكل بواسطة الغاز الاصطناعي عند درجات حرارة عالية.
يمكن أن يتغير النيكل أيضًا بشكل كبير أثناء حدوث التفاعل. في ظل ظروف الأكسدة والاختزال ذات درجة الحرارة العالية، يمكن أن تتغير حالة الأكسدة، ويمكن إعادة تنظيم بنيتها الذرية. ونظرًا لصعوبة ملاحظة هذه التحولات بشكل مباشر، فقد ناضل الباحثون لتحديد بنية النيكل المسؤولة حقًا عن POM.
محفز يتغير أثناء عمله
وفي دراسة حديثة نشرت في Nature Catalys، وجد العلماء أن الهياكل الذرية النشطة للغاية يمكن أن تتشكل مباشرة على سطح NiO مع استمرار التفاعل. تكشف النتائج عن الأصل الذري للنشاط الحفاز، وتبين سبب أهمية فحص المحفزات في ظل ظروف عمل واقعية، عندما تكون بنيتها تتغير باستمرار.
وأشرف على البحث البروفيسور. تاو تشانغ، وآيكين وانغ، وشياويان ليو من معهد داليان للفيزياء الكيميائية (DICP) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (CAS)، مع البروفيسور وي ليو من DICP، والبروفيسور تاو يانغ من جامعة شيان جياوتونغ، والبروفيسور غراهام ج. هاتشينجز من جامعة كارديف.
وللتحقق من هذه العملية، أنشأ الفريق محفزًا منخفض التحميل Ni/Al2O3 يحتوي على 0.8% بالوزن Ni باستخدام طريقة المستحلب الصغير. على الرغم من كمية النيكل الصغيرة، أظهرت المادة أداءً قويًا في POM. لقد حول 92% من غاز الميثان، في حين وصلت انتقائية ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين إلى 87.0%. كما ظلت النسبة المولية H2/CO مستقرة عند حوالي 2.0.
نيكل أقل بعشر مرات، وأداء مماثل
إحدى النتائج الأكثر إثارة للدهشة هي أن الباحثين لم يكتشفوا تقريبًا أي نيكل معدني في المحفز بعد التفاعل. ومع ذلك، كان أداء المحفز منخفض التحميل بالإضافة إلى أداء المحفز عالي التحميل 8.0% Ni/Al2O3 المحضر عن طريق التشريب.
وكان أداءه أيضًا أفضل بكثير من أداء محفز آخر منخفض التحميل بنسبة 0.8% بالوزن تم إنتاجه بنفس طريقة التشريب. وفي ظل ظروف مماثلة، عززت هذه المادة فقط احتراق الميثان بدلاً من تفاعل الأكسدة الجزئية المطلوبة.
ثم قام الفريق بفحص كيفية تغير النيكل خلال عملية POM. تم أكسدة الجسيمات النانوية المعدنية التي كانت موجودة عند بدء التفاعل بسرعة إلى مرحلة NiO. ومع ذلك، فإن NiO وحده لم يكن كافيا لتفسير النشاط العالي. عندما اختبر الباحثون محفز NiO النقي الطور المُشكل مسبقًا، لم يُظهر أي نشاط POM وبدلاً من ذلك أدى إلى أكسدة الميثان الكاملة.
يظهر التركيب الذري على أكسيد النيكل
كشف الفحص الدقيق ما هو مختلف. أثناء التفاعل، أعاد سطح NiO بناء نفسه، منتجًا وحدة هيكلية نشطة (Ni1O4Ni4) على سطح NiO(100).
أشارت حسابات DFT إلى أن هذا الشكل الذري المعاد بناؤه يجعل من الأسهل بكثير كسر رابطة C-H في الميثان. كان حاجز التنشيط المحسوب 12.5 كيلو كالوري · مول-1 فقط.
وكان هذا الحاجز أقل بكثير من 38.5 كيلو كالوري · مول-1 المحسوبة لسطح NiO(100) السليم. وكان أيضًا أقل من حاجز 15.7 كيلو كالوري · مول-1 الموجود للسطح المعدني Ni(111).
تظهر هذه المقارنات أن الهيكل المعاد بناؤه يوفر ميزة حركية واضحة لتنشيط الميثان. تشير الملاحظات التجريبية والحسابات النظرية مجتمعة إلى هذا الشكل الديناميكي باعتباره المركز النشط الحقيقي لـ POM.
تصميم محفزات أفضل بمعدن أقل
تشير النتائج إلى أن أداء المحفز لا يمكن فهمه دائمًا بمجرد فحص المادة قبل التفاعل أو بعده. في بعض الحالات، قد تظهر أهم الهياكل النشطة فقط أثناء تشغيل المحفز.
قال البروفيسور ليو: “تسلط دراستنا الضوء على الدور الحاسم للتوصيف في الموقع في تحديد الهياكل النشطة الديناميكية في ظل ظروف التفاعل”. “إن إعادة البناء الديناميكي تمكن المحفزات ذات التحميل المنخفض من تحقيق أداء عالٍ، مما يوفر فرصًا جديدة للتصميم العقلاني للمحفزات الفعالة مع تقليل الاعتماد على الأحمال المعدنية العالية.”
المرجع: “التوليد في الموقع للزخارف النشطة على Ni/Al2O3 أثناء الأكسدة الجزئية للميثان إلى غاز صناعي” بقلم يوانلونغ تان، تشياو تشاو، تشن ليانغ، تشاوبين تسنغ، هونغوين غو، فينغيوان ليو، غوانغ شيان بي، جيمس هايوارد، جينغيوان ما، هان تشاو، شياو يان ليو، وي ليو، تاو يانغ، أيكين وانغ، غراهام جي هاتشينجز وتاو تشانغ، 14 أغسطس 2026، تحفيز الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41929-026-01580-1
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
