قامت فريق من جامعة مينيسوتا وجامعة هيوستن بقياس مباشر لأجزاء صغيرة من الإلكترونات في العمليات الحفازة، مُحلاً لغزًا يعود لقرن كامل. تقنيتهم الجديدة، المسماة Isopotential Electron Titration (IET)، تكشف كيفية تفاعل الجزيئات مع المعادن النفيسة مثل الذهب والفضة والبلاتين. النتائج، المنشورة في ACS Central Science، قد تسرّع تطوير حفّازات فعالة للطاقة والتصنيع.
الحفّازات حيوية في الصناعات مثل الأدوية والبطاريات وتكرير النفط، حيث تقلل من احتياجات الطاقة للتفاعلات الكيميائية لتحسين السرعة والكفاءة. لأكثر من 100 عام، علم العلماء أن الجزيئات تبادل أجزاء صغيرة من الإلكترونات مع الأسطح المعدنية أثناء الحفازة، لكن القياس المباشر لهذه الكسور ظل غامضًا.
جاء الاختراق من باحثين في كلية العلوم والهندسة بجامعة مينيسوتا توين سيتيز وكلية كولن للهندسة بجامعة هيوستن. باستخدام IET، قاموا بكمية مشاركة الإلكترونات على الأسطح الحفازة تحت ظروف ذات صلة. توفر هذه الطريقة بيانات دقيقة عن الترابط، بخلاف الطرق غير المباشرة السابقة في إعدادات مثالية.
"قياس كسور إلكترون على هذه المقاييس الصغيرة للغاية يوفر أوضح رؤية حتى الآن لسلوك الجزيئات على الحفّازات"، قال جاستن هوبكينز، طالب دكتوراه في هندسة الكيمياء بجامعة مينيسوتا والمؤلف الرئيسي. تتفوق المعادن النفيسة لأنها تمكن من نقل إلكترونات مثالي، مما يسمح للجزيئات بالارتباط والتفاعل بفعالية.
على سبيل المثال، يشارك ذرة هيدروجين على البلاتين 0.2% فقط من إلكترون، كمية ضئيلة تسهل التفاعلات الصناعية. "سمحت IET بقياس كسر الإلكترون المشترك مع سطح حفّاز على مستويات أقل حتى من واحد في المئة، مثل حالة ذرة هيدروجين على البلاتين"، شرح عمر عبد الرحمن، المؤلف المراسل وأستاذ مشارك في قسم ويليام أ. بروكشاير للهندسة الكيميائية والهندسة الحيوية الجزيئية بجامعة هيوستن.
ينبع هذا العمل من مركز الحفازة الطاقية القابلة للبرمجة، الذي أُطلق في 2022 كجزء من مراكز أبحاث الحدود الطاقية التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية. يركز المركز على الحفّازات الديناميكية المتقدمة للمواد والكيماويات والوقود. "كانت الأساس دائمًا لتقنيات الحفازة الجديدة للصناعة هي البحث الأساسي الأساسي"، لاحظ بول داوينهاور، مدير المركز وأستاذ مميز بجامعة مينيسوتا. "يكشف هذا الاكتشاف الجديد لتوزيع الإلكترونات الكسرية أساسًا علميًا جديدًا كليًا لفهم الحفّازات الذي نعتقد أنه سيدفع تقنيات طاقة جديدة على مدى العقود القادمة."
تكمل IET النانوتكنولوجيا والتعلم الآلي في تصميم الحفّازات، مما يمكن من تحديد أسرع للمواد الواعدة.