Fabrication of Ru-Ni/SBA-15 Bimetallic Catalyst: Synergistic Effect and Application in Linoleic Acid Isomerization

في عالم علوم الأغذية والتغذية، تُقدّر جزيئات معينة ليس فقط لما هي عليه، بل لما يمكن أن تصبح عليه. حمض اللينوليك هو حمض دهني شائع يوجد في العديد من الزيوت النباتية والبذور. وبمفرده، يعد لبنة بناء قياسية للدهون، ولكن عندما يُعاد ترتيب هيكله الداخلي، يتحول إلى حمض اللينوليك المتقرن. هذا الشكل الجديد هو مجموعة من المتصاوغات (الإيزومرات)، وهي جزيئات لها نفس الذرات ولكنها مرتبة بشكل مختلف. ومن بين هذه المتصاوغات، ارتبطت نسخ محددة بفوائد صحية كبيرة، بما في ذلك القدرة على مكافحة السرطان، وتقليل الالتهابات، والمساعدة في تنظيم مستويات السكر في الدم. وبينما تنتج الطبيعة هذه الأشكال المفيدة بكميات صغيرة داخل لحوم وألبان الحيوانات التي ترعى في المراعي، فإن الطلب المتزايد عليها دفع العلماء إلى البحث عن طرق لإنتاجها في المختبر. ويكمن التحدي في القيام بذلك بكفاءة ونظافة؛ إذ تعتمد الطرق التقليدية غالبًا على مواد كيميائية قاسية، وحرارة عالية، وقواعد قوية يمكن أن تتلف المعدات، وتخلق نفايات سامة، وتنتج نواتج ثانوية غير مرغوب فيها. والهدف الذي يسعى إليه الباحثون المعاصرون هو إيجاد طريقة أكثر لطفًا ودقة لتوجيه هذه الجزيئات نحو أشكالها المفيدة دون التكلفة البيئية.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة جيانغنان خطوة نحو هذا الهدف من خلال تطوير نوع جديد من المحفزات، وهو مادة تسرع التفاعل الكيميائي دون أن تُستهلك نفسها. لقد أنشأوا نظامًا يستخدم معدنين، الروثينيوم والنيكل، مدعومين بمادة تشبه الإسفنج تسمى SBA-15. هذه المادة الداعمة هي نوع من السيليكا مسامية المسام، مما يعني أنها مكونة من السيليكون والأكسجين وتحتوي على شبكة واسعة من الأنفاق الصغيرة والمنتظمة. وقد اختار الباحثون هذه المادة لأن قنواتها الكبيرة والمستقيمة تسمح للجزيئات الطويلة مثل حمض اللينوليك بالتحرك بسهولة والوصول إلى المواقع المعدنية النشطة في الداخل. ومن خلال الجمع بين الروثينيوم، وهو معدن ثمين معروف بنشاطه، والنيكل، وهو معدن أرخص وأكثر وفرة، هدفوا إلى إنشاء شراكة يعمل فيها المعدنان معًا بشكل أفضل مما لو كان كل منهما بمفرده.

بدأت العملية بالبناء الدقيق لدعامة SBA-15. قام العلماء بخلط عامل قالب، يعمل كدعامة لتشكيل المادة، مع مصدر للسيليكون في محلول حمضي. تم تسخين هذا الخليط في حاوية مغلقة لتشجيع تكوين بنية منظمة ذات قنوات سداسية. وبعد غسل القالب وتسخين المادة لإزالة أي أجزاء عضوية متبقية، بقيت لديهم مسحوق أبيض يمتلك بنية داخلية عالية التنظيم. ولتحويل هذا المسحوق إلى محفز، قاموا بنقعه في محلول يحتوي على أملاح ذائبة من الروثينيوم والنيكل. ملأ السائل المسام الصغيرة، وبعد التجفيف والتسخين، تحولت الأملاح المعدنية إلى أشكالها المعدنية النشطة. وكانت النتيجة مادة صلبة حيث انتشرت مجموعات صغيرة من الروثينيوم والنيكل بشكل متساوٍ عبر السطح وداخل أنفاق السيليكا الداعمة.

عندما فحص الباحثون المادة الجديدة، وجدوا أن الهيكل ظل سليمًا بشكل ملحوظ. حافظت دعامة السيليكا على شكلها، ولم تتكتل الجسيمات المعدنية في قطع كبيرة عديمة الفائدة. بدلاً من ذلك، كانت المعادن موزعة بدقة عالية، مما يعني أنها انتشرت كمواقع صغيرة فردية جاهزة للتفاعل مع جزيئات الحمض الدهني. وأظهر التحليل أن الروثينيوم والنيكل لم يكونا مجرد متجاورين فحسب، بل كانا يتفاعلان إلكترونيًا. فقد كانت ذرات النيكل تشارك الإلكترونات بفعالية مع الروثينيوم، مما غير طريقة سلوك الروثينيوم. كان هذا التحول الإلكتروني حاسمًا؛ حيث عمل الروثينيوم كعامل رئيسي، حيث أمسك بالروابط الثنائية في جزيء حمض اللينوليك لبدء عملية إعادة الترتيب. وفي الوقت نفسه، لعب النيكل دورًا داعمًا، حيث قام بتعديل البيئة الإلكترونية لضمان سير التفاعل تمامًا في الاتجاه المطلوب، مما منع معالجة الجزيء بشكل مفرط أو تحوله إلى النوع الخاطئ من المتصاوغات.

لاختبار مدى فعالية هذا النظام، خلط الفريق المحفز مع حمض اللينوليك في مذيب وسخنوا الخليط. ووجدوا أن التفاعل يعمل بشكل أفضل عند درجة حرارة 180 درجة مئوية واستغرق حوالي أربع ساعات لاكتماله. وتحت هذه الظروف، حول المحفز 77 بالمائة من حمض اللينوليك الأصلي إلى الشكل المتقرن المطلوب. والأهم من ذلك، أن 87 بالمائة من تلك المادة المحولة كانت النوع المحدد من حمض اللينوليك المتقرن الأكثر قيمة للصحة. كان هذا المستوى من الأداء أفضل بكثير من استخدام أي من المعدنين بمفرده؛ حيث حول محفز يحتوي على الروثينيوم فقط أقل من نصف المادة الأصلية، بينما كان المحفز الذي يحتوي على النيكل وحده أقل فعالية. لقد خلق الجمع بين المعدنين تآزرًا لم يستطع أي منهما تحقيقه بمفرده، مما أثبت أن الشراكة بين هذين العنصرين كانت مفتاح النجاح.

بحث الباحثون أيضًا في مدى طول عمر المحفز. بعد انتهاء التفاعل، قاموا ببساطة بترشيح المحفز الصلب من السائل، وغسله، واستخدامه مرة أخرى. كرروا هذه العملية أربع مرات. وحتى بعد أربع دورات، احتفظ المحفز بمعظم قدرته على تحويل الحمض، مع إظهار انخفاض طفيف فقط في الأداء. وتعد هذه المتانة ميزة كبرى، إذ يعني هذا أنه يمكن إعادة استخدام المادة عدة مرات دون الحاجة إلى استبدالها، وهو أمر ضروري لأي عملية تأمل أن تكون مجدية اقتصاديًا وصديقة للبيئة. وأكدت الدراسة أن المحفز لم يفقد هيكله أو مواقعه النشطة خلال هذه الاستخدامات المتكررة، كما كانت عملية الفصل مباشرة ولا تتطلب آلات معقدة.

تسلط نتائج هذا العمل الضوء على مسار واضح للمضي قدمًا في إنتاج هذه الجزيئات القيمة المعززة للصحة. فمن خلال استخدام محفز ثنائي المعدن على دعامة مسامية مستقرة، أظهر الباحثون أنه من الممكن تحقيق معدلات تحويل عالية وانتقائية ممتازة دون الظروف القاسية للطرق التقليدية. يتجنب هذا النظام الحاجة إلى القواعد القوية والضغوط العالية، مما يقلل من خطر التآكل والنفايات. ويضمن التعاون الإلكتروني بين ذرات الروثينيوم والنيكل أن يكون التفاعل سريعًا ودقيقًا، مما يقلل من تكوين النواتج الثانوية غير المرغوب فيها. يقدم هذا النهج بديلًا عمليًا وأخضر للتركيب الصناعي لحمض اللينوليك المتقرن، محولًا تحديًا كيميائيًا معقدًا إلى عملية سهلة وفعالة. ويوفر هذا العمل أساسًا متينًا لتطوير محفزات مستقبلية لا تكون فعالة فحسب، بل ومستدامة أيضًا، مما يربط الإنتاج الكيميائي بمبادئ حماية البيئة.