Development of nanocrystalline Sr12Al14O33 and Ca12Al14O33 soot oxidation catalysts

كلما عمل محرك ديزل، فإنه يترك خلفه أثراً من جزيئات الكربون الصغيرة المعروفة باسم السخام. هذه الجزيئات ليست مجرد مصدر إزعاج فحسب، بل هي خطر صحي كبير وملوث بيئي رئيسي. وللحفاظ على نظافة هوائنا، تستخدم المركبات الحديثة مزيجاً من المرشحات والمحفزات لحرق هذا السخام قبل أن يتسرب إلى الغلاف الجوي. تعمل المحفزات بمثابة شرارة كيميائية، حيث تساعد الكربون على التفاعل مع الأكسجين في درجات حرارة أقل مما قد يفعل بمفرده. ولعقود من الزمن، اعتمد العلماء على معادن ثمينة باهظة الثمن مثل البلاتين للقيام بهذه المهمة، لكن التكلفة العالية والإمدادات المحدودة لهذه المعادن دفعت الباحثين للبحث عن بدائل أرخص وأكثر وفرة. ويتمثل التحدي في إيجاد مادة ليست ميسورة التكلفة فحسب، بل تمتلك أيضاً القدرة الكيميائية المحددة للإمساك بالأكسجين وتسليمه إلى السخام بكفاءة.

يعمل فريق من الباحثين في معهد بوريسكوف للتحفيز في روسيا على حل يتضمن عائلة من المواد تسمى "الميينيت" (mayenite). هذه المواد عبارة عن مخاليط معقدة من الكالسيوم والألومنيوم والأكسجين تمتلك بنية فريدة تشبه القفص. داخل هذه الأقفاص المجهرية، يمكن للمادة أن تحتفظ بأشكال خاصة من الأكسجين شديدة التفاعل. تخيل ذرات الأكسجين المحاصرة هذه وكأنها في حالة تأهب قصوى، متلهفة للقفز والتفاعل مع المواد الأخرى. وبينما عرف العلماء هذه المواد منذ فترة طويلة، إلا أنه كان من الصعب استخدامها في التطبيقات العملية لأن الطرق التقليدية لصنعها تتطلب حرارة عالية جداً. وتتسبب هذه الحرارة الشديدة في تكتل المادة لتصبح قطعاً صلبة كبيرة ذات مساحة سطح ضئيلة جداً، مما يجعلها غير فعالة كمحفزات. وكان الهدف من هذه الدراسة الجديدة هو إيجاد طريقة لإنشاء هذه المواد في شكل دقيق ومسامي باستخدام ظروف أكثر اعتدالاً، ومعرفة ما إذا كان إصدار المادة القائم على السترونشيوم قد يعمل بشكل أفضل من الإصدار التقليدي القائم على الكالسيوم.

اختبر الباحثون طرقاً مختلفة لبناء هذه المواد، بدءاً من الطرق التي تتضمن طحن مساحيق كيميائية متنوعة أو خلطها في محاليل سائلة. وجربوا تسخين هذه المخاليط في درجات حرارة تتراوح بين المتوسطة والعالية جداً. ومع ذلك، فشلت معظم هذه النهج في تحقيق النتيجة المرجوة؛ فإما لم تشكل المخاليط البنية البلورية الصحيحة عند درجات الحرارة المنخفضة، أو شكلت البنية الصحيحة ولكن في هيئة كتل كثيفة وكبيرة مع انعدام شبه تام لمساحة السطح عند تسخينها إلى درجات الحرارة اللازمة. وقد ثبت أن إحدى الطرق، التي تضمنت خلط نترات المعادن مع الأحماض العضوية، كانت صعبة للغاية لأنها تميل إلى إنشاء مركبات كربونات غير مرغوب فيها بدلاً من المادة المستهدفة. ووجد الفريق أن النهج الأكثر نجاحاً كان بسيطاً بشكل مفاجئ: فقد أخذوا أكسيد الكالسيوم أو أكسيد السترونشيوم حديث التحضير وخلطوه مع معلق من هيدروكسيد الألومنيوم في الماء. وقد أدى هذا التفاعل إلى تكوين عجينة رطبة، والتي عند تجفيفها وتسخينها إلى درجة حرارة منخفضة نسبياً تبلغ 600 درجة مئوية، تحولت إلى بنية "ميينيت" نانوية البلورات المطلوبة.

كانت المواد الناتلة مختلفة تماماً عن تلك المصنوعة بالطرق القديمة. فبدلاً من كونها كثيفة وخاملة، كانت عيناتنا الجديدة مسامية وتمتلك مساحة سطح داخلية شاسعة، حيث وصلت نسخة الكالسيوم إلى 80 متراً مربعاً لكل جرام، بينما وصلت نسخة السترونشيوم إلى 68 متراً مربعاً لكل جرام. وهذه المساحة السطحية العالية أمر بالغ الأهمية لأنها توفر مساحة أكبر لحدوث التفاعلات الكيميائية. ولفهم ما كان يحدث داخل هذه المواد، استخدم العلماء تقنية تسمى الرنين البارامغناطيسي الإلكتروني، والتي تعمل ككاشف حساس للإلكترونات غير المزدوجة. ووجدوا أنه بعد تسخين العينات في الهواء، أصبحت الأسطح غنية بجذور الأكسجين النشطة. وهذه الجذور هي ذرات أكسجين تمتلك إلكتروناً إضافياً، مما يجعلها غير مستقرة للغاية ومتلهفة للتفاعل. وقد أظهرت العينة القائمة على السترونشيوم تركيزاً أعلى من الجذور النشطة مقارنة بنسخة الكالسيوم، مما يشير إلى أن الأقفاص الأكبر في بنية السترونشيوم سمحت للأكسجين بالتحرك بحرية أكبر وتصبح أكثر نشاطاً.

جاء الاختبار الحقيقي لهذه المواد عندما استخدمها الباحثون لحرق سخام الديزل. فقد خلطوا كمية صغيرة من المحفز مع سخام الديزل وسخنو الخليط في تدفق من الهواء، وقاسوا درجة الحرارة التي بدأ عندها أول أكسيد الكربون بالانطلاق كعلامة على احتراق السخام. تطلبت مادة أكسيد الألومنيوم القياسية، المستخدمة كمرجع، درجة حرارة 620 درجة مئوية لبدء هذه العملية. وفي المقابل، بدأ المحفز القائم على الكالسيوم في العمل عند 320 درجة ووصل إلى ذروة نشاطه عند 480 درجة. أما المحفز القائم على السترونشيوم فقد قدم أداءً أفضل حتى، حيث بدأ التفاعل عند 280 درجة فقط وبلغ ذروته عند 440 درجة. وهذا الانخفاض الكبير في درجة الحرارة يعني أن المحفز أكثر كفاءة في تنظيف العادم. وأشار الباحثون إلى أن الأداء المتفوق لعينة السترونشيوم ينبع على الأرجح من بنيتها البلورية الأوسع، والتي تسم ت الأنواع النشطة من الأكسجين للتحرك بسهولة أكبر والوصول إلى جزيئات السخام بسرعة أكبر.

تثبت هذه الدراسة أنه من الممكن إنشاء محفزات فعالة لأكسدة السخام دون استخدام المعادن النبيلة باهظة الثمن. ومن خلال إيجاد طريقة بسيطة لتخليق هذه المواد في درجات حرارة معتدلة، فتح الباحثون الباب لاستخدام "الميينيت" نانوي البلورات ونظيره من السترونشيوم كأدوات عملية للحماية البيئية. ويبرز إصدار السترونشيوم، على وجه الخصوص، كمرشح واعد للتطبيقات المستقبلية، حيث يوفر طريقة فعالة من حيث التكلفة وقوية لتقليل الانبعاثات الضارة من محركات الديزل. ويؤكد هذا العمل أن القدرة الفريدة لهذه المواد على استضافة وتحريك أنواع الأكسجين النشطة تجعلها مثالية لمعالجة المشكلة المستمرة لتلوث السخام.