تمتلك الصناعات الثقيلة مثل صناعة الصلب والأسمنت بصمة كربونية هائلة، لكن محاولات استبدال الوقود الأحفوري بغاز الأمونيا النظيف اصطدمت دائماً بعقبة سامة. يُعرف عن الأمونيا صعوبة اشتعالها، حيث تتطلب عادةً درجات حرارة تصل إلى 500 درجة مئوية (932 درجة فهرنهايت) أو أعلى، فضلاً عن إطلاقها كميات كبيرة من أكاسيد النيتروجين (NOx) عند احتراقها في درجات الحرارة القصوى التي تتطلبها العمليات الصناعية.
نجح باحثون في جامعة سنغافورة الوطنية (NUS) في هندسة محفز بلاتيني أحادي الذرة يزيل هذه العقبات تماماً. تتيح المادة المبتكرة حديثاً إشعال الأمونيا عند درجة حرارة تقارب 215 درجة مئوية (419 درجة فهرنهايت) - وهو أعلى بقليل من خط الأساس البالغ 200 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت) الذي استهدفه الفريق - مع الحفاظ على احتراق مستقر ونظيف عند درجة حرارة هائلة تبلغ 1100 درجة مئوية (2012 درجة فهرنهايت).
هندسة على المستوى الذري لحرارة نظيفة
قام الفريق البحثي، بقيادة البروفيسور Yan Ning والأستاذ المساعد He Qian، بتوزيع ذرات بلاتين فردية على دعامة متينة من الألومينا المعززة بالزركونيا. يمنع هذا التصميم الذري تكتل البلاتين تحت الحرارة الشديدة، مما يحافظ على استقرار المحفز في درجات حرارة تتجاوز 1000 درجة مئوية (1832 درجة فهرنهايت). في درجات الحرارة المنخفضة، تعمل الذرات المعزولة على تفكيك جزيئات الأمونيا بكفاءة.
ومع ارتفاع الحرارة، يُوجّه هيكل المحفز التفاعل الكيميائي لإنتاج النيتروجين والماء غير الضارين، مما يولد انبعاثات تكاد تكون معدومة من أكاسيد النيتروجين. أكدت الفحوصات المخبرية أن ذرات البلاتين حافظت على نشاطها وتوزيعها المتساوي حتى بعد 80 ساعة من التشغيل المستمر في درجات حرارة عالية. علاوة على ذلك، زادت فعالية المحفز بعد استخدامه الأولي، حيث حوّل جميع جزيئات الأمونيا بالكامل دون ترك أي وقود غير محترق.
وأوضح الأستاذ المساعد He Qian أن "الصناعات الثقيلة تحتاج إلى حرارة عالية الجودة، وليس مجرد عادم نظيف". وأضاف: "لقد سعينا لضرب عصفورين بحجر واحد: جعل الأمونيا أسهل في الاشتعال، وإبقاء انبعاثات أكاسيد النيتروجين منخفضة عند تشغيلها في درجات حرارة مرتفعة".
لطالما كانت الأمونيا واعدة كوقود منخفض الكربون، لكن جعلها قابلة للاستخدام الفعلي تطلب حل معضلة كيميائية طويلة الأمد. يُظهر المحفز الخاص بنا أنه من الممكن إطلاق طاقة الأمونيا بشكل نظيف وموثوق.
- الباحث Du Yankun، جامعة سنغافورة الوطنية
بدعم من مركز ابتكارات الهيدروجين في جامعة سنغافورة الوطنية، يستعد الفريق لإجراء تجارب تجريبية لاختبار المحفز في الشعلات الصناعية، والمفاعلات عالية الحرارة، وتوربينات الغاز.
الحلقة المفقودة لإزالة الكربون من الصناعات الثقيلة
في حين تتصدر السيارات الكهربائية وشبكات الطاقة الشمسية نقاشات الطاقة النظيفة، تتطلب الصناعات التحويلية الثقيلة طاقة حرارية مكثفة وفورية لا يمكن للبطاريات توفيرها. يُعد هذا المحفز البلاتيني أحادي الذرة قفزة هائلة إلى الأمام لأنه يسمح للمصانع الحالية بتحديث بنيتها التحتية بأقل التغييرات الممكنة بدلاً من إعادة بنائها من الصفر.
من خلال خفض عتبة الاشتعال إلى 215 درجة مئوية وتحييد أكاسيد النيتروجين عند 1100 درجة مئوية، يحول هذا الاختراق الأمونيا من بديل أخضر نظري إلى وقود صناعي عملي وقابل للنشر الفوري. إذا نجحت التجارب التجريبية القادمة، فقد يؤدي ذلك إلى تسريع عملية إزالة الكربون من قطاعي الصلب والأسمنت، اللذين يتحملان حالياً مسؤولية حصة ضخمة من الانبعاثات العالمية.
