A novel Ni-doped γ-Al2O3 catalyst for low-temperature CO2 methanation aided by frustrated Lewis pairs and spinel interlayers

تخيل الغلاف الجوي كأنه بطانية ضخمة، محشوة للغاية، مصنوعة من غاز غير مرئي. لقرون مضت، كان البشر يضيفون طبقات إضافية إلى هذه البطانية عن طريق حرق الوقود الأحفوري، مما يحبس الحرارة ويزيد من دفء الكوكب. يعمل العلماء حالياً على رحلة بحث عالمية لإيجا طريقة لسحب تلك الطبقات الإضافية من هذه البطانية، ليس فقط عبر إخفائها تحت الأرض، بل بتحويلها إلى شيء مفيد. إحدى الأفكار الواعدة هي أخذ ثاني أكسيد الكربون (CO₂) — وهو الغاز الرئيسي في تلك البطانية — وخلطه مع الهيدروجين لإنتاج الميثان، وهو وقود نظيف الاحتراق. هذه العملية تشبه خدعة سحرية كيميائية: تحويل منتج نفايات إلى طاقة. ومع ذلك، فإن الخدعة صعبة للغاية لأن ثاني أكسيد الكربون (CO₂) جزيء عنيد جداً؛ إنه يشبه صندوقاً مغلقاً يرفض الفتح. ولفتح هذا الصندوق، تحتاج إلى مفتاح خاص، وهو ما يسمى في العلم "المحفز" (catalyst). التحدة تكمن في إيجاد مفتاح رخيص، قوي، وسريع بما يكفي للعمل دون الحاجة إلى حرارة حارقة أو كميات هائلة من الطاقة.

هنا يأتي دور فريق من الباحثين من جامعة هانيانغ في كوريا الجنوبية بتقديم تصميم جديد وذكي. لقد صنعوا محفزاً خاصاً مكوناً من النيكل (وهو معدن شائع) ممزوجاً بمادة تشبه الإسفنج تسمى أكسيد الألومنيوم غاما (gamma-aluminum oxide). فكر في هذا المحفز كأنه ملعب عالي التقنية للجزيئات. لم يكتفِ الباحثون بوضع النيكل على السطح فحسب، بل هندسوا الملعب ليتضمن "أزواج لويس المحبطة" (frustrated Lewis pairs). وباللغة البسيطة، تخيل ساحة رقص مزدحمة حيث يعلق راقص (جزيء ثاني أكسيد الكربون) بين شريكين لا يستطيعان الإمساك بأيدي بعضهما البعض: أحد الشريكين هو "حمض لويس" (بقعة تحب جذب الإلكترونات) والآخر هو "قاعدة لويس" (بقعة تحب منح الإلكترونات). ولأن هذين الشريكين عالقان بجانب بعضهما البعض لكنهما لا يتلامسان، فإنهما يخلقان فجوة متوترة ومليئة بالطاقة تمسك بجزيء ثاني أكسيد الكربون وتشده بقوة، مما يجعله جاهزاً للتفاعل. كما بنى الفريق "طبقة بينية من السبينايل" (spinel interlayer)، والتي تعمل كغراء فائق القوة، تثبت جزيئات النيكل الصغيرة في مكانها حتى لا تتكتل وتتوقف عن العمل.

توضح الورقة البحثية، التي تحمل عنوان "محفز Ni-doped γ-Al2O3 جديد لإنتاج الميثان من ثاني أكسيد الكربون عند درجات حرارة منخفضة بمساعدة أزواج لويس المحبطة وطبقات السبينايل البينية"، كيفية أداء هذه المادة الجديدة تحت المجهر وفي المفاعل. وجد الباحثون أنه من خلال تعديل الوصفة — وتحديداً كميات مادة مضافة تسمى كربونات الأمونيوم — استطاعوا ابتكار نسخة من المحفز تسمى A50N20 تعمل بشكل استثنائي. وعند اختبارها عند درجة حرارة 400 مئوية مع خليط يتكون من 10 أجزاء من الهيدروجين إلى جزء واحد من ثاني أكسيد الكربون، تمكن هذا المحفز الجديد من تحويل 92.1% من ثاني أكسيد الكربون إلى ميثان. وهذه قفزة هائلة مقارنة بالإصدارات القديمة. لقد أنتج الميثان بمعدل 19.9 مللي مول لكل جرام في الساعة، وبتردد دوران (مقياس لسرعة عمل كل نقطة نشطة) قدره 0.25 ثانية⁻¹.

تشير الدراسة إلى أن هذا الأداء العالي يأتي من عمل جماعي مثالي بين أجزاء المادة المختلفة. فـ "أزواج لويس المحبطة" على السطح تعمل كفريق استقبال، حيث تمسك بثاني أكسيد الكربون وتشده بقوة. وفي الوقت نفسه، تعمل جسيمات النيكل النانوية كعمال يقومون بتفكيك غاز الهيدروجين وتقديم أجزائه إلى ثاني أكسيد الكربون لبناء الميثان. أما "طبقة السبينايل البينية" فتعمل كشبكة أمان، تبقي عمال النيكل بعيدين عن الهروب أو التكتل (التلبد/sintering) تحت تأثير الحرارة. استخدم الباحثون أدوات متنوعة، مثل أجهزة الأشعة السينية والمجاهر الإلكترونية، لإثبات أن جزيئات النيكل كانت صغيرة للغاية (حوالي 2.6 نانومتر) وموزعة بالتساوي، وهو أمر أفضل بكثير من المواد المرجعية لديهم حيث كانت الجسيمات أكبر وأكثر تكتلاً.

ومن المثير للاهتمام أن الورقة تستبعد عدة احتمالات. فهي توضح أنه بدون المضافات الخاصة، يكون المحفز أقل فعالية بكثير. كما تشير أيضاً إلى أن التفاعل لا يتبع مساراً يتحول فيه ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون أولاً؛ بل يتبع "مسار الفورمات" (formate pathway)، حيث يتحول ثاني أكسيد الكربون إلى وسيط فورمات قبل أن يصبح ميثاناً. وقد قاس المؤلفون ذلك من خلال مراقبة تغير الروابط الكيميائية في الوقت الفعلي باستخدام تقنية DRIFTS. ووجدوا أنه بينما يمكن لبخار الماء (الرطوبة) أن يبطئ التفاعل من خلال التنافس على المساحة في المحفز، إلا أن التصميم الجديد قوي بما يكفي لتحمل حرارة 400 درجة مئوية دون أن يفقد هيكله، وهي مشكلة شائعة في محفزات النيكل.

باختاً، تشير الورقة إلى أنه من خلال بناء محفز بسطح "محبط" محدد وغراء داخلي قوي، فقد ابتكروا آلة أفضل بكثير في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود مقارنة بالتصاميم السابقة. وبينما لا تدعي الورقة أن هذه المشكلة قد حُلت للعالم أجمع بعد، إلا أنها تقدم دليلاً قوياً على أن هذا التصميم المحدد يمثل خطوة كبيرة للأمام، مما يوفر طريقة أسرع وأكثر كفاءة لتنظيف غلافنا الجوي وصنع وقود مستدام.