Crystallographic Orientation of the Substrate Enables Micromole-Level Lithium-Mediated Ammonia Synthesis at 500 mA cm-2

الأمونيا هي العمود الفقري الخفي للحياة الحديثة؛ فهي المكون الأساسي في الأسمدة التي تغذي مليارات البشر، ويُنظر إليها بشكل متزاد كوسيلة نظيفة لتخزين الطاقة من أجل مستقبل خالٍ من الوقود الأحفوري. لأكثر من قرن، اعتمدت البشرية على طريقة واحدة تستهلك الكثير من الطاقة لإنتاجها، وهي عملية تتطلب حرارة وضغطاً شديدين وتحرق كميات هائلة من الغاز الطبيعي. لطالما سعى العلماء لإيجاد طريقة لصنع الأمونيا باستخدام الكهرباء والهواء في درجة حرارة الغرفة، وهو حلم من شأنه أن يحول الغلاف الجوي نفسه إلى مصنع. ويتضمن أحد المسارات الواعدة استخدام الليثيوم، وهو معدن معروف بشغفه للتخلي عن الإلكترونات، للإمساك بالنيتروجين من الهواء وتحويله إلى أمونيا. ومع ذلك، واجهت هذه الطريقة صعوبة في الانتقال من المختبر إلى العالم الحقيقي بسبب عدم استقرارها؛ فعندما تسير التفاعلات بسرعة، تنهار الطبقة الواقية التي تتشكل على سطح المعدن، مما يؤدي إلى هدر الطاقة وفشل الإنتاج.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة شانغهاي جياو تونغ، وجامعة تونغشي، وجامعة هنان، طريقة لتثبيت هذه العملية من خلال تغيير شكل سطح المعدن حيث يحدث التفاعل. فبدلاً من محاولة إصلاح المواد الكيميائية السائلة المحيطة بالمعدن، قاموا بتغيير المعدن الصلب نفسه. واكتشفوا أنه من خلال ترتيب الذرات على سطح نحاسي بنمط هندسي محدد، يمكنهم إجبار التفاعل على تشكيل طبقة واقية أقوى وأكثر متانة. سمح هذا التغيير البسيط في الترتيب الذري للنظام بالعمل بسرعات هائلة، حيث أنتج الأمونيا بمعدل كان يُعتقد سابقاً أنه مستحيل لهذا النوع من الكيمياء.

تكمن المشكلة الجوهرية في صنع الأمونيا باستخدام الليثيوم في المعركة من أجل السيطرة على سطح المعدن. فعندما تتدفق الكهرباء، تتشكل طبقة رقيقة تسمى "الطور البيني للالكتروليت الصلب" على القطب الكهربائي. تعمل هذه الطبقة كحارس بوابة، حيث تسمح للمكونات الصحيحة بالمرور بينما تمنع المكونات الخاطئة. وفي معظم الإعدادات، تكون هذه الطبقة ضعيفة وغير متساوية، مما يسمح للمذيب السائل بالتفكك ويخلق بيئة فوضوية يتشكل فيها غاز الهيدروجين بدلاً من الأمونيا، مما يهدر التيار الكهربائي. أدرك الباحثون أن التكوين الأولي لهذه الطبقة يعتمد بشكل كبير على البنية البلورية للمعدن الموجود تحتها. ومثلما يبدو شكل جدار من الطوب مختلفاً بناءً على كيفية رص الطوب، فإن الطبقات الذرية لبلورة معدنية تقدم أوجهًا مختلفة للسائل.

ولاختبار ذلك، أنشأ الفريق قطباً كهربائياً نحاسياً خاصاً حيث تم محاذاة ذرات السطح لتشكل وجهاً محدداً، يُعرف في علم البلورات باسم الوجه (220). وقد حققوا ذلك عن طريق تنمية النحاس في محلول غني بمجموعات كيميائية محددة تشجع هذا التوجه المعين على النمو بشكل أسرع من غيره. خلق هذا سطحاً يعمل مثل المغناطيس للأيونات السالبة في الإلكتروليت السائل. ولأن هذه الأيونات تُجذب بقوة إلى السطح، فإنها تتكدس بجوار حافة المعدن مباشرة، مما يخلق بيئة محلية أغنى بهذه الأيونات من بقية السائل. هذا التركيز العالي يحفز تكويناً سريعاً ومنظماً للطبقة الواقية، التي تصبح غنية بالمواد غير العضوية مثل فلوريد الليثيوم وكبريتيد الليثيوم. هذه المواد قوية وموصلة، على عكس "الحطام" العضوي الفوضوي الذي يتشكل عادةً ويتسبب في انسداد النظام.

كانت نتائج هذه الهندسة الهيكلية فورية ودراماتيكية. ففي الاختبارات القياسية، أنتج القطب الجديد الأمونيا بكفاءة بلغت 82.6 بالمائة، مما يعني أن معظم الكهرباء المستخدمة ذهبت مباشرة إلى صنع المنتج المطلوب بدلاً من ضياعها في تفاعلات جانبية. والأهم من ذلك، ظل النظام مستقراً حتى عندما دفع الباحثون التيار إلى مستويات قصوى؛ فقد أجروا التجربة بكثافة تيار بلغت 500 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع، وهي سرعة تزيد بمئات المرات عن التجارب المختبرية النموذجية. وتحت هذه الظروف الصعبة، حافظ النظام على كفاءة قدرها 63.9 بالمائة وأنتج الأمونيا بمعدل 1.1 ميكرومول في الثانية لكل سنتيمتر مربع. وقد استمر هذا الأداء لأكثر من عشرين دقيقة، وهي مدة طويلة لمثل هذا التفاعل عالي السرعة.

أكد الباحثون أن هذا النجاح جاء من الخصائص الفريدة للسطح الجديد؛ حيث لاحظوا أن الطبقة الواقية على النحاس المعدل كانت ناعمة، ومنتظمة، وخالية من الفجوات والشقوق الكبيرة التي تظهر في النحاس القياسي. وأظهر التحليل الكيميائي أن الطبقة كانت محشوة بالمركبات غير العضوية القوية التي توقعوها، بينما غابت المنتجات العضوية الضعيفة وغير المستقرة تماماً. كما سمح السطح الجديد لأيونات الليثيوم بالتحرك عبر الطبقة بسرعة أكبر من ذي قبل، مما سرع التفاعل بأكمله. ومن خلال مجرد تغيير توجه ذرات النحاس، استطاع الفريق التحكم بفعالية في كيمياء الواجهة، مما أثبت أن السطح الصلب لا يقل أهمية عن السائل الذي يلامسه. يشير هذا العمل إلى أن مسار إنتاج الأمونيا على نطاق صناعي قد لا يتطلب مواد كيميائية جديدة أو آلات معقدة، بل يتطلب طريقة أذكى لترتيب الذرات على الأقطاب الكهربائية التي نستخدمها بالفعل.