المحفزات أحادية الذرة قد تساعد في إزالة الملوثات العضوية

كيفية عمل المحفزات أحادية الذرة

العالم مليء بالمواد الكيميائية الاصطناعية المفيدة، سواء كانت مذيبات منزلية أو أدوية أو أسمدة، ولكن مع ظهور مجموعة مماثلة من الملوثات في بيئتنا، أدت إلى حد كبير إلى الإضرار بالنظم البيئية ورفاهيتنا، وعلى وجه الخصوص، فإن فئة من الملوثات المعروفة باسم المواد العضوية "المقاومة للحرارة" تثير القلق بشكل خاص، فهي لا تتحلل بيولوجياً بسهولة، وتظل ثابتة في البيئة لفترات طويلة جداً من الزمن، وهذا هو السبب في أن استراتيجيات الإزالة الفعالة أو رميها في مجاري المياه العادمة مهمة للغاية.

المحفزات أحادية الذرة قد تساعد في إزالة الملوثات العضوية

يحاول العلماء تطوير محفزات فعالة تساعد في تكسير الملوثات الحرارية الضارة، وهناك نوع واعد من المحفز وهو محفز "ذرة واحدة"، حيث تتشتت ذرات المعدن بشكل موحد داخل مصفوفة من ذرات الكربون، ويعد استخدام الحديد أمراً واعداً بشكل خاص، لأن النتائج رخيصة وغير سامة وفعالة للغاية، ومع ذلك، وعلى الرغم من النتائج في المختبر، لا يزال من الصعب إنتاج محفزات من ذرة واحدة، ولا تزال الآلية التي تعمل من خلالها غير واضحة.

أما الآن، فقد نجح فريق بقيادة الأستاذ المساعد شيرو كوبوكي من جامعة طوكيو متروبوليتان في تطوير طريقة بسيطة لإنتاج المحفزات من ذرة واحدة مع مواقع بيريدين الحديد، وهو الحديد المحاط بأربع ذرات نيتروجين، مدمجة في صفائح الكربون، وبناءً على الانحلال الحراري، تقوم بتحليل المواد الكيميائية وإعادة تركيبها باستخدام الحرارة، أخذ الفريق سلائف الحديد في هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة تُعرف باسم إطارات أكسيد الفلز، وقاموا بطحنها مع الميلامين، وقاموا بتسخينها في جو خامل عند درجات حرارة تتجاوز 500 درجة مئوية، وعند تنشيط البيروكسيمونوسلفات، وهو عامل مؤكسد شائع، ثبت أنها فعالة جداً في إزالة الملوثات مثل ثنائي الفينول أ، وهي مادة كيميائية شائعة في الراتنجات والبلاستيك.

كما وجد الفريق في عملهم أن المحفزات المصنوعة بطرق مختلفة لها فعالية مختلفة، وباستخدام تقنية تجريبية تسمى التحليل الطيفي لموسباور وحساب نظرية الكثافة الوظيفية، قاموا بدراسة حالة مواقع بيريدين الحديد على دفعات مختلفة، ومن المثير للاهتمام، أنهم وجدوا ارتباطاً قوياً بين وجود حالات Fe 2 و Fe 3 "عالية الدوران" وفعالية المحفز، حيث يشير مصطلح "الدوران العالي" إلى الطريقة المحددة التي تملأ بها الإلكترونات مدارات عالية الطاقة حول الحديد، ويساعد التفاعل بين الحديد والعناصر المحيطة في إنشاء حالات "الدوران العالي" و "الدوران المنخفض" والتي تتصرف بشكل مختلف.

الملوثات العضوية

وباستخدام التقنيات الحسابية، وجدوا لأول مرة أنه يوجد في الواقع مساران مختلفان يمكن من خلال حالات الدوران العالي أن تساعد في حدوث التفاعلات، حيث تفاعلت مواقع Fe 2 بقوة مع بيروكسيمونوسلفات لتكوين جذور هيدروكسيل شديدة التفاعل، ومن ناحية أخرى، شكلت مواقع Fe 3 مجموعات تعرف باسم مجمعات Fe 5 -O، والتي بدورها ساعدت في تكسير الملوثات العضوية.

ومن خلال الجمع بين كل من الرؤى الميكانيكية والطريقة السهلة لإنشاء المحفزات من ذرة واحدة، يأمل الفريق أن تشهد هذه التكنولوجيا مزيداً من الانتشار في أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي الحقيقية وفي الجهود المبذولة لتنظيف البيئة.