في تفاعلات الهدرجة في الصناعة الكيميائية، يتطلب تكسير الهيدروجين عادةً درجات حرارة وضغوطًا عالية، مما يستهلك الكثير من الطاقة ويزيد من مخاطر السلامة. لفترة طويلة، كان تحقيق تكسير الهيدروجين بكفاءة في ظل ظروف درجة الحرارة العادية هدفًا مهمًا اكتشفه العلماء.
ووفقا لآخر الأخبار الصادرة عن الأكاديمية الصينية للعلوم، فقد حقق العلماء الصينيون هدف التفكك الفعال لغاز الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة باعتباره الأول من نوعه في العالم، الأمر الذي سيقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة في عمليات الهدرجة التقليدية، ويقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، ويساعد في الاستخدام الأمثل لموارد الكربون في الصناعة الكيميائية.
تم تحقيق هذا التقدم الجديد الرائد في مجال تقسيم الهيدروجين بالتحفيز الضوئي من قبل فريق بقيادة الباحث وانغ فنغ من معهد داليان للفيزياء الكيميائية، الأكاديمية الصينية للعلوم، بالتعاون مع البروفيسور باولو فورناسيرو من جامعة تريست، إيطاليا، وآخرين. تم نشر الورقة البحثية ذات الصلة على الإنترنت في المجلة الأكاديمية المشهورة عالميًا "Science" في الساعات الأولى من يوم 5 سبتمبر بتوقيت بكين.
وأوضح الباحث وانغ فنغ، مؤلف الدراسة بالمراسلة، أن تفاعلات الهدرجة هي أحد التفاعلات المهمة في الصناعة الكيميائية، حيث تتضمن خطوة واحدة على الأقل من الهدرجة في حوالي ربع عمليات التفاعل الكيميائي. إحدى الخطوات الأساسية لتفاعلات الهدرجة هي تنشيط الهيدروجين، والذي يتضمن آليات التحلل والتحلل. من بينها، ينتج عن الانقسام غير المتجانس للهيدروجين أنواع هيدروجين قطبية، تتميز بتفاعلية عالية وهدرجة انتقائية للمجموعات الوظيفية القطبية، وبالتالي زيادة معدل توليد العديد من المنتجات الكيميائية المهمة وتقليل التفاعلات الجانبية.
في هذه الدراسة، ابتكر فريق البحث طريقة تحويل التحفيز الضوئي التي تم تطويرها سابقًا والتي تحفز التفاعلات النصفية للإلكترونات والثقوب المثارة ضوئيًا "بشكل مستقل"، واقترح استخدام الإلكترونات والثقوب المثارة ضوئيًا لإنشاء مراكز شحن موجبة وسالبة متجاورة مكانيًا، وبالتالي تحقيق التحلل المغاير للهيدروجين في ظل الظروف المحيطة.
استخدم فريق البحث ثاني أكسيد الذهب/التيتانيوم كمحفز نموذجي. ومن خلال إثارة ثاني أكسيد التيتانيوم بالأشعة فوق البنفسجية، يمكن للإلكترونات المتولدة أن تنتقل إلى جسيمات الذهب النانوية وتصبح محاصرة. وفي الوقت نفسه، توجد حالات خلل مكونة من-أكسجين الذهب-التيتانيوم عند السطح البيني بين جسيمات الذهب النانوية وثاني أكسيد التيتانيوم، حيث يمكن محاصرة الثقوب المولدة ضوئيًا. عند هذه النقطة، تقع الثقوب والإلكترونات عند واجهة التيتانيوم -الأكسجين- الذهبية والجسيمات النانوية الذهبية، على التوالي، لتشكل أزواج ثقوب إلكترونية متجاورة مكانيًا -. لذلك، عندما تهيمن آلية زوج الفتحات الإلكترونية - المرتبطة على التفكك الضوئي للهيدروجين، فإن نشاط ثاني أكسيد الذهب/التيتانيوم في تحفيز التفكك الضوئي للهيدروجين يزداد خطيًا مع كثافة ضوء أقوى.
بعد ذلك، تحقق فريق البحث أيضًا من مزايا هذه الهدرجة المستحثة بالضوء-من خلال تفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون الخامل، واكتشف أن أنواع الهيدروجين المتولدة يمكنها تحويل ثاني أكسيد الكربون الخامل بالكامل في درجة حرارة الغرفة، حيث يكون المنتج الوحيد هو الإيثان. بعد ذلك، من خلال جهاز يحول الإيثان إلى إيثيلين، يمكن تقليل ثاني أكسيد الكربون كميًا إلى إيثيلين، ويمكن أن يعمل المحفز بثبات لأكثر من 1500 ساعة دون إلغاء تنشيطه.
وأشار فريق البحث إلى أن التطور الأخير في طريقة التحفيز الضوئي لتقسيم الهيدروجين يمكن أن يمتد ليشمل أكاسيد الذهب/النيتروجين المشبعة، وأكسيد الذهب/السيريوم، ومحفزات ضوئية فانادات الذهب/البزموت، ويمكن أيضًا استخدام ضوء الشمس لتحقيق هدرجة ثاني أكسيد الكربون إلى إيثان، مع انتقائية تصل إلى 90%.
صرح وانغ فنغ أنه من خلال التكسير الفعال للهيدروجين غير الحراري-في درجة حرارة الغرفة، واستخدام الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون كمواد خام لإنتاج منتجات ذات-قيمة مضافة-عالية مثل الإيثان والإيثيلين، سيتم تحقيق تخفيضات كبيرة في استهلاك الطاقة والانبعاثات، وبالتالي المساعدة في الاستخدام الأمثل لموارد الكربون في الصناعة الكيميائية.
وكشف أنه في المستقبل، سيجري فريق البحث{0}دراسات متعمقة حول عمليات التفاعل، على أمل تطوير مسار تكنولوجي صناعي يجمع بين الطاقة الضوئية والحرارية الضوئية بناءً على ذلك، مما يوفر نموذجًا جديدًا لترقية وتحويل الصناعات الكيميائية الحديثة للفحم.
المصدر: خدمة الأخبار الصينية