محفز جديد يحول النفايات النباتية العنيدة إلى مواد كيميائية قيمة

البصيرة الذرية يمكن أن تجعل النفايات النباتية مصدرا أكثر عملية للوقود والبلاستيك والمواد الكيميائية.

في كل عام، تترك الزراعة والغابات وراءها كميات كبيرة من المواد النباتية التي تحتوي على اللجنين، وهي المادة التي تساعد السيقان والخشب والأنسجة الأخرى على البقاء جامدة. يمكن أن يشكل اللجنين (ما يصل إلى 35%) من هذه الكتلة الحيوية المهملة ويمثل أكبر مصدر متجدد للطبيعة من المواد الكيميائية العطرية، وهي مركبات قائمة على الكربون مبنية حول هياكل حلقية مستقرة.

وهذا الاستقرار الكيميائي هو المشكلة أيضًا. يتكون اللجنين من شبكة متشابكة من الروابط القوية التي تقاوم المعالجة العادية، مما يجعل من الصعب تحويل هذه المادة الوفيرة إلى منتجات مفيدة للتصنيع المستدام.

قامت مجموعة بحثية دولية تضم الدكتور كريستوفر بارليت، وشينيو تشو، ويوتاو جيانغ من قسم الهندسة الكيميائية بتطوير محفز مصمم للتغلب على هذا الحاجز. أعمالهم، ذكرت في التحفيز ACS، لم يُظهر تحويل اللجنين بكفاءة فحسب، بل حدد أيضًا الآلية الجزيئية المسؤولة عن كسر أقوى روابطه.

المادة عبارة عن “محفز أحادي الذرة”، مما يعني أن معدنها النشط مشتت على شكل ذرات فردية بدلاً من جزيئات أكبر. في هذه الحالة، يتم تثبيت ذرات الروثينيوم المعزولة داخل الكربون المحتوي على ذرات النيتروجين المضافة. يؤدي فصل الروثينيوم بهذه الطريقة إلى السماح لمزيد من المعدن بالمشاركة في التفاعلات مع تقليل الكمية المطلوبة.

كان من الأصعب تحديد الترتيب الدقيق للذرات الذي يؤدي الكيمياء. وبدون معرفة البنية النشطة، لم يتمكن الباحثون من تحسين المحفز إلا من خلال التجربة والخطأ.

المواقع الذرية تكشف الآلية

حدد التحقيق تكوينًا يسمى “موقع Ru-N₄” باعتباره مركز التفاعل الرئيسي. في هذه المواقع، روثينيوم واحد ذرة يتم تثبيته في مكانه بواسطة ذرات النيتروجين المحيطة، مما يخلق موقعًا يمكن من خلاله تنشيط جزيئات الأكسجين.

يعد تنشيط الأكسجين أمرًا ضروريًا لأن الأكسجين العادي ليس متفاعلًا بدرجة كافية لتفكيك اللجنين بكفاءة. وبمجرد تحويله إلى أشكال أكثر تفاعلية، يمكنه مهاجمة روابط الكربون والأكسجين والكربون والكربون التي تعزز شبكة اللجنين الجزيئية.

قام الباحثون بدمج القياسات المخبرية مع النمذجة الحاسوبية لمتابعة هذا التسلسل خطوة بخطوة. وأظهرت التجارب المنتجات التي تشكلت، في حين ساعدت الحسابات في تفسير كيفية تغير الذرات والروابط أثناء التفاعل. أظهرت الأدلة معًا أن المحفز ينشط الأكسجين أولاً، ثم يستخدم المادة التفاعلية الناتجة صِنف لقطع اللجنين إلى جزيئات أصغر.

الظروف المعتدلة تنتج مواد كيميائية مفيدة

وفي ظل الظروف المحسنة، قام المحفز بتحويل جميع مركبات اللجنين النموذجية المستخدمة في الاختبارات تقريبًا. كما أنها أنتجت عوائد عالية من المنتجات القيمة، بما في ذلك الفينول، وهي مادة كيميائية عطرية تستخدم في إنتاج العديد من المواد.

تم التفاعل في ظل ظروف معتدلة نسبيًا ولم يتطلب علاجات كيميائية قاسية. إن تقليل الحاجة إلى المعالجة القصوى يمكن أن يقلل من استخدام الطاقة والهدر في أنظمة التصنيع المستقبلية.

توفر المركبات النموذجية طريقة محكمة لدراسة كيمياء التفاعل، لكن اللجنين الفعلي أكثر تعقيدًا. ولتحديد ما إذا كان المحفز قادرًا على التعامل مع هذا التعقيد، اختبر الباحثون اللجنين الذي تم الحصول عليه من عدة مصادر للكتلة الحيوية.

نجح المحفز في تحويل تلك العينات الحقيقية إلى مركبات عطرية مفيدة. يمكن لمثل هذه الجزيئات في نهاية المطاف أن تكون بمثابة مواد أولية للوقود والبلاستيك وغيرها من المنتجات التي يتم تصنيعها الآن بشكل شائع من النفط.

البصيرة الذرية توجه التصميم المستقبلي

ومن خلال تحديد البنية الذرية النشطة وشرح كل مرحلة من مراحل التفاعل، يقدم العمل أكثر من وصفة محفزة واحدة. ويقدم دليلاً لتصميم المواد المستقبلية التي تستخدم ذرات معدنية معزولة لمعالجة الأشكال الصعبة من الكتلة الحيوية بكفاءة أكبر.

وقال الدكتور كريستوفر بارليت، المحاضر في الهندسة الكيميائية: “إن الفهم الدقيق لكيفية عمل هذه المحفزات على المستوى الذري يسمح لنا بتصميم مواد أفضل لتحويل الموارد المتجددة إلى مواد كيميائية قيمة”.

إن العثور على استخدامات عملية للجنين يمكن أن يحول مكونًا مقاومًا للنفايات النباتية إلى مورد كيميائي متجدد. ومن شأن هذا التحول أن يدعم التحرك بعيدا عن التصنيع الخطي القائم على النفط، حيث يتم استخراج الموارد واستخدامها والتخلص منها، ونحو اقتصاد أكثر دائرية مبني على استعادة الكتلة الحيوية وإعادة استخدامها.

المرجع: “الكشف عن دور Ru-N4 في محفز الذرة المفردة Ru-N-C في الانقسام التأكسدي لسندات CO-O/C-C في اللجنين” بقلم Yingxiang Zhao وYingjie Zhao وXinyue Zhou وHaiwei Guo وQiqi Yin وYutao Jiang وHaiyan He وNa Liu وGengbo Ren وChristopher MA Parlett وChangzhi. لي، 4 فبراير 2026، التحفيز ACS.
دوى: 10.1021/acscatal.5c08001

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