يعمل محفز البلاتين أحادي الذرة على إضاءة الأمونيا عند درجة حرارة 200 درجة مئوية ويبقيها مشتعلة بثبات عند درجة حرارة 1100 درجة مئوية مع انخفاض أكاسيد النيتروجين، مما يولد حرارة عالية الجودة وخالية من الكربون للصلب والأسمنت والمواد الكيميائية. الائتمان: كلية التصميم والهندسة في جامعة سنغافورة الوطنية

يتغلب المحفز المصمم حديثًا على العقبات الرئيسية التي أدت إلى محدودية استخدام الأمونيا لفترة طويلة كوقود نظيف للصناعات الثقيلة.

يمكن لمحفز بلاتيني أحادي الذرة تم تطويره حديثًا إشعال الأمونيا عند حوالي 200 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت) والحفاظ على الاحتراق المستقر عند 1100 درجة مئوية (2012 درجة فهرنهايت) مع إنتاج القليل جدًا من أكاسيد النيتروجين. يمكن أن يوفر هذا الاختراق حرارة خالية من الكربون وعالية الجودة لصناعات مثل الصلب والأسمنت والتصنيع الكيميائي.

لطالما اعتبرت الأمونيا وقودًا نظيفًا واعدًا للصناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة. ويمكن إنتاجه باستخدام الهواء والماء والكهرباء المتجددة، وتخزينه في صورة سائلة، ونقله عبر البنية التحتية الصناعية القائمة.

ويتمثل التحدي في صعوبة اشتعال الأمونيا، واحتراقها ببطء، ومن الممكن أن تطلق كميات كبيرة من أكاسيد النيتروجين (NOx) عند درجات حرارة عالية. وقد جعلت هذه القيود من الصعب على الصناعات الثقيلة، التي تعتمد على الحرارة المرتفعة، أن تبتعد عن الوقود الأحفوري.

وقد أثبت باحثون من كلية التصميم والهندسة (CDE) الآن أن الهندسة على المستوى الذري قد تحل هذه المشاكل. وفي دراسة نشرت في جولقام فريق بقيادة البروفيسور يان نينج من قسم الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية والأستاذ المساعد هي تشيان من قسم علوم وهندسة المواد بإنشاء محفز يبدأ احتراق الأمونيا عند درجة حرارة أعلى من 200 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت) ويحافظ على الاحتراق النظيف عند 1100 درجة مئوية (2012 درجة فهرنهايت).

قاد البروفيسور يان نينج (يسار) والأستاذ المساعد هي تشيان (يمين) مجموعة لتصميم محفز يعمل على احتراق الأمونيا عند درجة حرارة أعلى بقليل من 200 درجة مئوية ويحافظ على الاحتراق النظيف عند 1100 درجة مئوية. الائتمان: كلية التصميم والهندسة في جامعة سنغافورة الوطنية

تقوم هذه العملية بتحويل الأمونيا بالكامل إلى نيتروجين وماء مع توليد مستويات ضئيلة فقط من أكاسيد النيتروجين. وتشير النتائج إلى أن الأمونيا يمكن أن توفر في نهاية المطاف الحرارة الصناعية دون انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أو غازات العادم الضارة.

لماذا تكافح الأمونيا كوقود صناعي

تتطلب الأفران والمفاعلات الصناعية حرارة قوية يمكن التحكم فيها ويمكن إنتاجها حسب الطلب. يمكن للأمونيا توفير ذلك نظريًا دون انبعاثات الكربون، لكن الاستخدام العملي كان صعبًا. تحترق الأمونيا بشكل نظيف فقط ضمن نطاق ضيق من مخاليط الوقود والهواء. كما أن درجة حرارة “إطفاء الضوء”، وهي النقطة التي يبدأ فيها الاحتراق بسهولة، مرتفعة نسبيًا أيضًا، ويمكن أن يصبح اللهب غير مستقر. غالبًا ما يؤدي رفع درجة الحرارة لتحقيق استقرار الاحتراق إلى زيادة انبعاثات أكاسيد النيتروجين.

يقول الأستاذ المساعد هي: “تحتاج الصناعات الثقيلة إلى حرارة عالية الجودة، وليس مجرد عادم نظيف”. “لقد شرعنا في ضرب عصفورين بحجر واحد: تسهيل اشتعال الأمونيا وإبقاء أكاسيد النيتروجين منخفضة عند تشغيلها ساخنة.”

استخدم الباحثون طريقة تسمى احتراق الأمونيا التحفيزي بدرجة حرارة عالية، والتي تعتمد على محفز سطحي لمساعدة الأمونيا على التفاعل بكفاءة أكبر مع الأكسجين. كانت الصعوبة الرئيسية هي تحديد مادة قادرة على بدء الاحتراق عند درجات حرارة منخفضة مع تحمل الحرارة الشديدة المطلوبة للتطبيقات الصناعية.

يتيح المحفز البلاتيني أحادي الذرة إمكانية الإشعال في درجات الحرارة المنخفضة

قام الفريق بتطوير مادة تنشر ذرات البلاتين الفردية عبر دعامة متينة من الألومينا معززة بالزركونيا. كل البلاتين ذرة بمثابة موقع رد فعل منفصل. يمنع هذا الهيكل البلاتين من التجمع تحت حرارة شديدة ويساعد في الحفاظ على استقرار المحفز عند درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية (1832 درجة فهرنهايت).

قاد البروفيسور يان نينج (يسار) والأستاذ المساعد هي تشيان (يمين) مجموعة لتصميم محفز يعمل على احتراق الأمونيا عند درجة حرارة أعلى بقليل من 200 درجة مئوية ويحافظ على الاحتراق النظيف عند 1100 درجة مئوية. الائتمان: كلية التصميم والهندسة في جامعة سنغافورة الوطنية

أظهرت الاختبارات المعملية أن المحفز يمكن أن يشعل الأمونيا عند درجة حرارة 215 درجة مئوية تقريبًا (419 درجة فهرنهايت)، أي أقل بكثير من درجة الحرارة النموذجية البالغة 500 درجة مئوية (932 درجة فهرنهايت) أو أعلى المطلوبة عادةً. كما حافظت على احتراق مستقر عند 1100 درجة مئوية (2012 درجة فهرنهايت). تم تحويل جميع جزيئات الأمونيا بالكامل، دون ترك أي وقود غير محترق ولا تنتج أي أكاسيد النيتروجين تقريبًا. ووجد الباحثون أيضًا أن المحفز أصبح أكثر فعالية بعد الاستخدام الأولي وظل مستقرًا خلال دورات اختبار درجات الحرارة المرتفعة المتكررة.

عند درجات الحرارة المنخفضة، تساعد ذرات البلاتين المعزولة على تفكيك جزيئات الأمونيا وإعادة دمجها مع الأكسجين لإنتاج النيتروجين والماء، وهي أنظف نتيجة احتراق ممكنة. عند درجات الحرارة المرتفعة، يقوم هيكل المحفز بتوجيه التفاعل بعيدًا عن إنتاج أكاسيد النيتروجين. وأكدت دراسات التصوير أن ذرات البلاتين ظلت متناثرة ونشطة بالتساوي حتى بعد 80 ساعة من التشغيل، مما يدل على المتانة الحرارية للمادة.

تصميم على المستوى الذري يقلل من انبعاثات أكاسيد النيتروجين

يقول البروفيسور يان: “ما يهم هنا هو منطق التصميم”. “إن إقران الدعم المستقر للحرارة مع ذرات المعدن المعزولة يمكّننا من تحقيق كل من الاشتعال المبكر والمرونة في درجات الحرارة القصوى. ويفضل النظام بطبيعة الحال تكوين النيتروجين على أكاسيد النيتروجين.”

ويضيف الأستاذ المساعد: “يمكن للصناعات تحديث أنظمتها بأقل قدر من التغييرات، والحصول على فوائد الحرارة النظيفة دون الحاجة إلى إعادة بناء مصانعها من الصفر”.

ويعمل الباحثون الآن على تقريب التكنولوجيا من الاستخدام الصناعي. وبدعم من مركز NUS لابتكارات الهيدروجين، يقوم الفريق بإعداد تجارب تجريبية في مرافق مصممة للتعامل الآمن مع الأمونيا. إنهم يخططون لتقييم المحفز في الشعلات الصناعية، وتوربينات الغاز، والمفاعلات ذات درجة الحرارة العالية في ظل ظروف التشغيل الحقيقية.

يقول دو يانكون، المؤلف الأول للدراسة: “لطالما كانت الأمونيا واعدة كوقود منخفض الكربون، ولكن جعلها قابلة للاستخدام حقًا يتطلب حل مشكلة كيميائية طويلة الأمد”. “يُظهر المحفز الذي لدينا أنه من الممكن إطلاق طاقة الأمونيا بشكل نظيف وموثوق. وهذا يقربنا خطوة واحدة من الحرارة الصناعية الخالية من الكربون.”

المرجع: “المحفزات أحادية الذرة مكنت من احتراق الأمونيا الحفزي عند 1100 درجة مئوية” بقلم يانكون دو، وبينغكينغ ياو، وليانغ شو، وشانغشن لو، وتشاوكاي شو، وبيجي هان، وشنغ داي، وسيكاي وانغ، وشيبو شي، وبون سيونغ نيو، ونينغ يان، وكيان هي، 3 يوليو 2025، جول.
دوى: 10.1016/j.joule.2025.102030

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.

إقرأ المزيد