آلاف الصور الصغيرة تكشف عن تطور محفز النحاس الذي يمكنه تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية قيمة ووقود – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Thousands of tiny snapshots reveal the evolution of a copper catalyst that can convert CO2 into valuable chemicals and fuels
(Glennda Chui – بقلم: غليندا تشوي)

يمكن أن تساعد الطريقة التي طُوِّرت في مختبر السنكروترون^[1] (مختبر مصدر ضوء الإشعاع السنكروتروني بجامعة ستانفورد (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource – SSRL التابع لمركز ستانفورد للمسرعات الخطية (Stanford Linear Accelerator Center – SLAC) ، في جعل هذه التحويلات الكهروكيميائية أكثر قوة وكفاءة ويمكن تطبيقها لدراسة مجموعة واسعة من تقنيات الطاقة.

ويُعد النحاس محفزا واعدا أعظم لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد خام كيميائية قيّمة ووقود سائل من خلال تفاعلات تعمل بالكهرباء. ولكن هذه التفاعلات ليست بالكفاءة أو الانتقائية المطلوبة، كما أن المفاعلات الكهروكيميائية التي تجري فيها ليست متينة بما يكفي للاستخدام على نطاق صناعي.

وعلى الرغم من عقود من العمل والتقدم، لم يتمكن الباحثون من إصلاح هذه العيوب، لأنهم لم يمتلكوا طريقة لرصد محدد لذرات النحاس القليلة التي تشارك بنشاط في التفاعلات التحفيزية – على سطح غشاء نحاسي بسمك مئات الطبقات – مع تجاهل جميع البقية.

وقد طوّر باحثون من مختبر مركز ستانفورد الوطني للمسرعات الخطية التابع لوزارة الطاقة ومختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) طريقةً للقيام بذلك.

وبدلاً من تشغيل المفاعل الكهروكيميائي باستمرار، قاموا بتشغيله وإيقافه عدة مرات في الثانية أثناء فحص المحفز بالأشعة السينية من السنكروترون التابع لمركز ستانفورد للمسرعات الخطية، وهو مختبر مصدر ضوء الإشعاع السنكروتروني بجامعة ستانفورد. ثم قاموا بتحليل بيانات الأشعة السينية من الفترات القصيرة التي شُغّلت فيها النبضات الكهربائية وكانت ذرات المحفز نشطة. وكما لو كان ضوءًا وامضًا سريعًا، أضاءت هذه التقنية بوضوح الخطوات الفردية للتفاعلات التي تحدث بالقرب من السطح، وسمحت للعلماء بتقليصها إلى أجزاء من الألف من الثانية، كل ذلك أثناء تشغيل المفاعل في ظروف تشغيل واقعية.

ووصف فريق البحث، بقيادة كبير العلماء في مختبر مصدر ضوء الإشعاع السنكروتروني بجامعة ستانفورد ديموسثينيس سوكاراس وكبير العلماء في مختبر بيركلي جونكو يانو، عملهم في مجلة “علوم الطاقة والبيئة” (راجع الرابط: The electrode–electrolyte interface of Cu via modulation excitation X-ray absorption spectroscopy – Energy & Environmental Science (RSC Publishing)).

وقال سوكاراس إن نهجهم الجديد مناسب لدراسة مجموعة واسعة من تقنيات التحويل الكهروكيميائي، مثل المُحللات الكهربائية وخلايا الوقود والبطاريات؛ ويستخدم الفريق [هذا النهج الجديد] بالفعل لتعزيز كفاءة استخدام الطاقة للمحفزات التي تُنتج غاز الأكسجين من الماء.

وأضاف سوكاراس: “يُقدم لنا هذا النهج أيضًا رؤىً بالغة الأهمية حول التغيرات العابرة التي تحدث في التفاعلات الحفزية التي تعمل بمصادر طاقة متقطعة”. وتابع: “إن فهم هذه الظواهر سيُسهم في دفع عجلة البحث المُتقدم، ويُسرّع من تطوير تقنيات كهروكيميائية فعّالة، ويُمكّن المختبرات الوطنية من قيادة الابتكار في مجال الطاقة والتصنيع الكيميائي”.

وقال يانو، الباحث الرئيسي في مشروع تحالف ضوء الشمس السائل^[2] (Liquid Sunlight Alliance – LiSA) المُمول من وزارة الطاقة الأمريكية: “إن رؤية كيفية تغير الحالات الكيميائية والإطار الزمني لها أمرٌ بالغ الأهمية. تُشبه هذه الطريقة الجديدة فتح آلاف النوافذ الصغيرة على ما يحدث، وتُقدم لنا معلومات لم نكن لنحصل عليها من قبل”.

ويُعدّ مركز ستانفورد الوطني للمسرعات الخطية ومختبر بيركلي من الشركاء الرئيسيين في مشروع تحالف ضوء الشمس السائل، الذي يقوده معهد كاليفورنيا للتقنية (CIT)، والذي بدأ في عام 2020 في البحث عن طرق لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية ووقود باستخدام طاقة الشمس. وكانت هذه التجربة هي الأحدث من بين العديد من التجارب التي أجراها الفريق في مختبر مصدر ضوء الإشعاع السنكروتروني بجامعة ستانفورد، والذي يُنتج حزمًا شديدة السطوع من ضوء الأشعة السينية للنهوض بمجالات بحثية استراتيجية ذات صلة بالأهداف الوطنية.

وقد تم تطوير وتحسين الطريقة الجديدة، وهي مطيافية امتصاص الأشعة السينية بالإثارة التضمينية (modulation excitation X-ray absorption spectroscopy ME-XAS)، في مختبر مصدر ضوء الإشعاع السنكروتروني بجامعة ستانفورد. وتتيح هذه الطريقة للباحثين توليد نبضات كهربائية تُحفز التفاعلات وتعدل أو تغير تردداتها وجهدها وأشكالها. ويقومون بتغيير توقيت النبضات – على سبيل المثال، عُشر ثانية تشغيل، عُشر ثانية إيقاف – بينما ترتد الأشعة السينية عن سطح غشاء النحاس إلى كاشف، مسجلةً البيانات طوال الوقت.

ثم تُفرز البيانات في صناديق صغيرة تتوافق مع أوقات تشغيل النبضات أو إيقافها. ويُنقِّح الفريق هذه البيانات للعثور على أدقّ الاختلافات الملحوظة التي تُطابق توقيت النبضة أو ترددها.

وقال أنجيل ت. غارسيا-إسبارزا، الباحث الرئيسي في فريق مركز ستانفورد للمسرعات الخطية، وقائد مؤلفي الدراسة البحثية: “يمكن لأيّ شيءٍ صغير – تقلبات في درجة الحرارة، وعدم استقرار المحفِّز، والضوضاء العشوائية – أن يُؤثِّر على هذه الاختلافات”. وأضاف: “لإنجاح هذه الدراسة، اضطرَّ دين سكوين – وهو مهندس في فريق مختبر مصدر ضوء الإشعاع السنكروتروني بجامعة ستانفورد – إلى تطوير إلكترونيات مُخصَّصة مُعقَّدة لتشغيل وتسجيل وحفظ غيغابايت من البيانات أثناء تحليلها فورًا”. كما استفادت جهود التحليل من خبرة فيليب سيمون، الباحث في مشروع مختبر بيركلي، الذي طوَّر إجراءات مُخصَّصة ساعدت في استخراج إشارات ذات معنى من مجموعات بيانات شديدة الديناميكية والتقلُّب.

ولم تُحاول هذه التجربة إجراء سلسلة كاملة من تفاعلات السطح التي تدخل في تفاعل تحفيزي يُحرِّكه النحاس – بل اقتصرت على بضع خطوات أولى أساسية. فأولًا، تلتصق أيونات الهيدروكسيد بذرات النحاس النشطة على السطح؛ ثم يتشكَّل أكسيد النحاس. وقال غارسيا-إسبارزا: “إذا استمرت التفاعلات، فستترك طبقة معقدة من هيدروكسيد النحاس وأكسيد النحاس على سطح غشاء النحاس، مما قد يؤثر على كيفية أداء المحفز”.

لذلك، من الضروري فهم سلسلة التفاعلات الكيميائية بتفصيل كبير لتطوير أجهزة التحويل الكهروكيميائي من الجيل التالي. وقد موّل هذا العمل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، الذي يعتبر مختبر مصدر ضوء الإشعاع السنكروتروني بجامعة ستانفورد منشأة تابعة له.

*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:

https://www6.slac.stanford.edu/news/2025-04-29-thousands-tiny-snapshots-reveal-evolution-copper-catalyst-can-convert-co2-valuable
الاستشهادات:  أنجيل ت. جارسيا-إسبارزا وآخرون، مجلة “علوم الطاقة والبيئة”، 29 أبريل 2025 (DOI: 10.1039/D5EE01068C)
الهوامش:
[1] السنكروترون هو نوع من مُسرِّعات الجسيمات الدائرية. يعمل عن طريق تسريع الجسيمات المشحونة (الإلكترونات) عبر سلاسل من المغناطيسات حتى تصل إلى سرعة الضوء تقريبًا. تُنتج هذه الإلكترونات سريعة الحركة ضوءًا ساطعًا للغاية، يُسمى ضوء السنكروترون. هذا الضوء الشديد، الذي يقع غالبًا في نطاق الأشعة السينية، أكثر سطوعًا بملايين المرات من الضوء المُنتَج من المصادر التقليدية، وأكثر سطوعًا بعشرة مليارات مرة من الشمس. يمكن للعلماء استخدام هذا الضوء لدراسة المادة الدقيقة مثل الذرات والجزيئات. المصدر: https://www.diamond.ac.uk/Home/About/FAQs/About-Synchrotrons.html
[2] تحالف ضوء الشمس السائل هو مركز ابتكار الطاقة من ضوء الشمس بقيادة معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (CIT) وممول من وزارة الطاقة الأمريكية في عام 2020.

معلومات حول مركز ستانفورد الوطني للمسرعات الخطية:
يستكشف مركز ستانفورد الوطني للمسرعات الخطية كيفية عمل الكون على أكبر وأصغر وأسرع المقاييس، ويبتكر أدوات فعّالة يستخدمها الباحثون حول العالم. وعلى لسان ادارة المركز: “بصفتنا روادًا عالميين في العلوم فائقة السرعة ومستكشفين جريئين لفيزياء الكون، فإننا نشقّ آفاقًا جديدة في فهم أصولنا وبناء مستقبل أكثر صحة واستدامة. وتساعد اكتشافاتنا وابتكاراتنا في تطوير مواد وعمليات كيميائية جديدة، وتفتح آفاقًا غير مسبوقة للكون ولآليات الحياة الأكثر دقة. واستنادًا إلى أكثر من 60 عامًا من الأبحاث الثاقبة، نساهم في رسم ملامح المستقبل من خلال تطوير مجالات مثل تقنية الكم، والحوسبة العلمية، وتطوير مسرّعات الجيل التالي”.
وتُدير جامعة ستانفورد مركز ستانفورد الوطني للمسرعات الخطية لصالح مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. ويُعدّ مكتب العلوم أكبر داعم منفرد للبحوث الأساسية في العلوم الفيزيائية في الولايات المتحدة، ويعمل على معالجة بعض أكثر تحديات عصرنا إلحاحًا.