نورنیوز-گروه بینالملل: در این روش، رادیکالهای هیدروژن با انرژی شیمیایی بالا هنگام فروپاشی نانوحبابها شکل میگیرند و بدون نیاز به کاتالیست، مسیر واکنش تولید آمونیاک را در دمای اتاق باز میکنند.
این فناوری هنوز جایگزین صنعتی هابر-بوش نیست، اما میتواند مسیر تازهای برای تثبیت نیتروژن و تولید آمونیاک با مصرف انرژی بسیار کمتر فراهم کند.
آمونیاک یکی از مهمترین مواد شیمیایی جهان است؛ مادهای که پشت تولید بخش بزرگی از کودهای کشاورزی قرار دارد و در سالهای اخیر بهعنوان حامل هیدروژن و گزینهای برای ذخیره و انتقال انرژی تجدیدپذیر نیز مورد توجه قرار گرفته است. بااینحال، تولید این ماده همچنان بهشدت به فرایند هابر-بوش وابسته است؛ فرایندی که برای فعالکردن نیتروژن به دما و فشار بسیار بالا نیاز دارد و سهم قابلتوجهی از مصرف انرژی و انتشار دیاکسیدکربن در صنایع شیمیایی را به خود اختصاص میدهد.
اکنون یک روش کاملاً متفاوت، یعنی استفاده از انرژی حاصل از فروپاشی نانوحبابها، میتواند مسیر تازهای برای تولید آمونیاک در شرایط بسیار ملایمتر باز کند.
یک تیم پژوهشی به سرپرستی پروفسور «چن لان» (CHEN Lan) و پروفسور «گه گوانگلو» (GE Guanglu) از مرکز ملی علوم نانوفناوری چین (NCNST) وابسته به آکادمی علوم چین (CAS)، راهبردی بدون کاتالیست برای تولید آمونیاک ارائه کرده است که در آن از فروپاشی نانوحبابهای حاوی نیتروژن و هیدروژن در آب برای ایجاد شرایط لازم جهت انجام واکنش استفاده میشود. نتایج این پژوهش در مجله انجمن شیمی آمریکا (Journal of the American Chemical Society) منتشر شده است.
ایده اصلی پژوهش بر پدیدهای استوار است که در نگاه نخست ساده به نظر میرسد: حبابهای بسیار کوچک گاز در آب ایجاد میشوند و سپس بهسرعت فرو میریزند. اما در مقیاس نانو، همین فروپاشی میتواند رویدادی بسیار پرانرژی باشد.
پژوهشگران از همین انرژی گذرا برای انجام واکنشی استفاده کردهاند که در شرایط معمول، به انرژی زیادی برای آغاز آن نیاز دارد.
نانوحبابها، همانطور که از نامشان پیداست، حبابهای گازی با ابعاد نانومتری هستند که معمولاً قطر آنها کمتر از یک میکرومتر است. یکی از ویژگیهای مهم این ساختارها، فشار داخلی بالای آنهاست. بر اساس معادله یانگ-لاپلاس (Young-Laplace)، هرچه شعاع یک حباب کوچکتر باشد، فشار ناشی از کشش سطحی درون آن افزایش مییابد. برای نمونه، یک نانوحباب با قطر حدود ۱۰۰ نانومتر میتواند فشار داخلی معادل چند ده اتمسفر داشته باشد.
اما اهمیت این حبابها فقط به فشار داخلی آنها محدود نمیشود. هنگام فروپاشی نانوحباب، انرژی ذخیرهشده در ساختار حباب در مدتزمانی بسیار کوتاه آزاد میشود. این رویداد میتواند در محیط اطراف حباب گونههای شیمیایی بسیار واکنشپذیری ایجاد کند، از جمله رادیکالهای آزاد. به همین دلیل، نانوحبابها را میتوان نوعی «میکرورآکتور» یا راکتور شیمیایی بسیار کوچک در نظر گرفت که قادر است شرایط بسیار متفاوتی را نسبت به محیط معمول محلول ایجاد کند.
در پژوهش جدید، تیم چینی از نانوحبابهای حجمی حاوی گازهای نیتروژن و هیدروژن استفاده کرد. هنگام فروپاشی این نانوحبابها، رادیکالهای آزاد تولید شدند و در میان آنها رادیکالهای هیدروژن (H·) نقش مهمی در فعالسازی نیتروژن داشتند.
این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا مولکول نیتروژن (N₂) دارای پیوند سهگانه بسیار پایدار N≡N است و شکستن یا فعالکردن این پیوند یکی از دشوارترین مراحل در مسیر تبدیل نیتروژن مولکولی به ترکیبات قابلاستفاده است.
بر اساس نتایج آزمایشهای طیفسنجی تشدید پارامغناطیسی الکترون (EPR) و محاسبات نظریه تابعی چگالی (DFT)، پتانسیل شیمیایی رادیکالهای هیدروژن ایجادشده در جریان فروپاشی نانوحبابها حدود ۲.۳ الکترونولت برآورد شد. این مقدار انرژی از سد انرژی موردنیاز برای فعالسازی پیوند N≡N که حدود ۱.۵۹ الکترونولت محاسبه شده بود، بیشتر است. به بیان سادهتر، فروپاشی نانوحباب میتواند در یک بازه زمانی بسیار کوتاه، گونههای شیمیایی بسیار پرانرژی ایجاد کند که توانایی عبور از مانع اصلی واکنش را دارند.
در نتیجه این فرایند، پژوهشگران موفق شدند تثبیت نیتروژن را در شرایط ملایم انجام دهند و حدود ۶۰ درصد گزینشپذیری نسبت به آمونیاک بهدست آورند. نکته مهم این است که این واکنش بدون استفاده از یک کاتالیست مرسوم انجام شده است.
در فناوریهای سنتی، فعالسازی نیتروژن معمولاً به کاتالیست، دمای بالا و فشار زیاد نیاز دارد، اما در راهبرد جدید، انرژی لازم از یک رویداد نانومقیاس و بسیار کوتاهمدت تأمین میشود.
فرایند هابر-بوش که ستون اصلی تولید جهانی آمونیاک محسوب میشود، معمولاً در دماهایی بالاتر از ۴۰۰ درجه سانتیگراد و فشارهایی در حدود ۲۰۰ اتمسفر انجام میشود. این شرایط سخت، علاوه بر افزایش هزینه و مصرف انرژی، به تجهیزات صنعتی مقاوم و زیرساختهای پیچیده نیاز دارد.
در مقابل، راهبرد مبتنی بر نانوحبابها در دمای اتاق و فشار پایین انجام میشود و از این نظر میتواند بهعنوان یک مسیر شیمیایی کمانرژی مورد توجه قرار گیرد.
اهمیت این پژوهش البته فقط در تولید آمونیاک خلاصه نمیشود. دانشمندان در واقع یک مفهوم جدید برای فعالسازی واکنشهای پرانرژی ارائه کردهاند: بهجای آنکه کل محیط واکنش را تا دما یا فشار بسیار بالا گرم و فشرده کنند، میتوان انرژی موردنیاز را در نقاط بسیار کوچک و برای مدتزمان بسیار کوتاه ایجاد کرد. در این نگاه، نانوحبابها مانند راکتورهایی عمل میکنند که انرژی را بهصورت موضعی و گذرا در اختیار واکنش قرار میدهند.
این ویژگی میتواند در آینده برای واکنشهای دیگری که سد انرژی بالایی دارند نیز مورد بررسی قرار گیرد. پژوهشگران بر این باورند که ترکیب شیمی نانوحبابها با فناوریهای دیگری مانند فوتوکاتالیز و الکتروکاتالیز میتواند دامنه کاربرد این رویکرد را گسترش دهد.
باوجوداین، نباید از یک نتیجه آزمایشگاهی در مقیاس محدود مستقیماً به معنای جایگزینی هابر-بوش در صنعت رسید. تولید آمونیاک در مقیاس صنعتی علاوه بر نرخ واکنش و گزینشپذیری، به بازده انرژی، پایداری فرایند، مقیاسپذیری، هزینه تجهیزات و امکان تولید پیوسته وابسته است. بنابراین، دستاورد فعلی را بهتر است یک مسیر علمی جدید برای حل یکی از دشوارترین مراحل شیمی نیتروژن دانست، نه یک فناوری صنعتی آماده بهرهبرداری.
با این حال، این پژوهش یک پیام مهم دارد: برای انجام واکنشهای بسیار دشوار، همیشه لازم نیست کل سامانه را تحت شرایط افراطی قرار داد. گاهی میتوان انرژی موردنیاز را در مقیاس نانو، دقیقاً در محل وقوع واکنش و برای کسری بسیار کوتاه از زمان ایجاد کرد. فروپاشی یک نانوحباب ۱۰۰ نانومتری شاید در نگاه اول اتفاقی کوچک باشد، اما همین رویداد میتواند به اندازهای انرژی آزاد کند که یکی از پایدارترین پیوندهای شیمیایی طبیعت را وارد مسیر تولید یک ماده حیاتی مانند آمونیاک کند.