پژوهشگران موفق به توسعه یک کاتالیزور جدید برای دهیدروژناسیون اتانول شده‌اند که علاوه بر افزایش سرعت واکنش، پایداری بالاتر، انتخاب‌پذیری بهتر و تولید ضایعات کمتر را نسبت به کاتالیزورهای متداول ارائه می‌دهد. این دستاورد می‌تواند مسیر تولید استالدهید (Acetaldehyde) را که ماده اولیه بسیاری از رزین‌ها، رنگ‌ها، عطرها و طعم‌دهنده‌های مصنوعی است، کارآمدتر و پایدارتر کند.

اتانول یکی از مهم‌ترین الکل‌های مورد استفاده در صنایع و کاربردهای خانگی است. در فرآیند دهیدروژناسیون، بخشی از اتم‌های هیدروژن اتانول حذف شده و استالدهید تولید می‌شود. با این حال، کاتالیزورهای رایج مانند مس و نیکل معمولاً با مشکلاتی نظیر غیرفعال شدن، کاهش عملکرد در طول زمان و ایجاد واکنش‌های جانبی ناخواسته مواجه هستند.

پژوهشگران در آزمایشگاه ملی بروکهاون (Brookhaven National Laboratory) وابسته به وزارت انرژی آمریکا (DOE) با همکاری دانشمندان بین‌المللی، کاتالیزوری طراحی کرده‌اند که واکنش دهیدروژناسیون اتانول را سریع‌تر، انتخابی‌تر و با ضایعات کمتر انجام می‌دهد. این کاتالیزور در مقایسه با نمونه‌های مبتنی بر فلزاتی مانند مس و نیکل، عملکرد بهتری داشته و از مشکلاتی مانند تجمع ذرات یا تجزیه بیش از حد اتانول جلوگیری می‌کند.

به گفته آناتولی فرنکل (Anatoly Frenkel)، شیمیدان دانشگاه استونی بروک و آزمایشگاه بروکهاون، این کاتالیزور یک مشکل مهم در شیمی را برطرف می‌کند؛ زیرا به جای حذف تمام اتم‌های هیدروژن، تنها هیدروژن‌های مورد نیاز برای تشکیل استالدهید را جدا می‌کند و در نتیجه واکنش به‌صورت انتخابی انجام می‌شود.

یکی دیگر از مزایای این سامانه کاتالیستی، پایداری زیست‌محیطی آن است. برخلاف روش‌های متداول تولید استالدهید که بر پایه مواد پتروشیمی هستند، اتانول می‌تواند از منابع زیست‌توده مانند ضایعات غذایی، بقایای محصولات کشاورزی و پسماندهای جنگلی تولید شود و به همین دلیل این فرآیند گزینه‌ای سازگارتر با محیط‌زیست محسوب می‌شود.

ساختار سه‌فلزی؛ راز عملکرد کاتالیزور

این سامانه کاتالیستی از سه فلز پلاتین، کروم و نقره تشکیل شده است؛ ساختاری که در کاتالیز حرارتی کمتر مشاهده می‌شود. در این طراحی، اتم‌های پلاتین و کروم به‌جای پراکنده شدن به‌صورت منفرد، به شکل جفت‌هایی شبیه دمبل درون زمینه‌ای از نقره قرار گرفته‌اند.

به گفته پژوهشگران، ساختارهای دوتایی فلزی (Dimers) که توسط یک فلز سوم پشتیبانی می‌شوند، معمولاً عملکرد گسترده‌تر و پایداری بیشتری دارند، زیرا هر فلز نقش متفاوتی در فرآیند کاتالیز ایفا می‌کند. با این حال، شناسایی این ساختارها و بررسی نقش آن‌ها تاکنون بسیار دشوار بوده است.

نقش محاسبات نظری در طراحی کاتالیزور

پیش از انجام آزمایش‌ها، گروه تحقیقاتی با استفاده از محاسبات شیمی کوانتومی پیش‌بینی کرد که سامانه پلاتین-کروم-نقره قادر به انجام دهیدروژناسیون انتخابی اتانول خواهد بود.

به گفته جیسون ویور (Jason Weaver) از دانشگاه فلوریدا، محاسبات نظری و مطالعات پیشین نشان داده بودند که جفت‌های پلاتین-کروم در زمینه نقره به‌صورت ترجیحی تشکیل شده و ساختار الکترونیکی متفاوتی نسبت به اتم‌های منفرد دارند؛ ویژگی‌ای که امکان ایجاد شیمی سطحی منحصربه‌فرد را فراهم می‌کند. این نتایج نظری، پژوهشگران را به بررسی عملکرد آلیاژ سه‌فلزی پلاتین-کروم-نقره در شرایط واقعی واکنش و شناسایی مستقیم نقش جفت‌های پلاتین-کروم در فرآیند کاتالیز هدایت کرد.

بررسی ساختار کاتالیزور با روش‌های پیشرفته

برای بررسی ساختار این سامانه، پژوهشگران از مجموعه‌ای از روش‌های پیشرفته شامل مدل‌سازی نظری، میکروسکوپ الکترونی و تکنیک‌های پرتو ایکس در دو مرکز سنکروترونی National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) در آمریکا و MAX IV در سوئد استفاده کردند.

در خط پرتو Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) واقع در NSLS-II، از روش XAFS برای مطالعه ساختار حجمی نمونه استفاده شد. این آزمایش‌ها اطلاعات دقیقی درباره رفتار اتم‌های پلاتین، کروم و نقره و همسایگی اتمی آن‌ها ارائه داد و نشان داد که اتم‌های پلاتین و کروم واقعاً به‌صورت جفت در ساختار حضور دارند.

پس از اثبات وجود این جفت‌ها در بخش حجمی نمونه، پژوهشگران نمونه‌ها را به مرکز MAX IV منتقل کردند تا وجود آن‌ها را روی سطح نیز بررسی کنند. در این مرکز از نوعی روش حساس به سطح از XAFS و همچنین تکنیک طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس در فشار محیط (AP-XPS) استفاده شد که امکان مطالعه نمونه در حین انجام واکنش را فراهم می‌کند.

نتایج AP-XPS تأیید کرد که تنها نمونه‌هایی که دارای ساختارهای دوتایی پلاتین-کروم بودند، عملکرد کاتالیستی مطلوبی از خود نشان می‌دادند. این تکنیک همچنین امکان بررسی هم‌زمان مولکول‌های در حال واکنش و رفتار فلزات روی سطح را فراهم کرد و تصویر کاملی از رابطه بین ساختار و عملکرد کاتالیزور ارائه داد.

تأیید عملکرد با میکروسکوپ الکترونی

بخش دیگری از این پژوهش با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM) در مرکز Center for Functional Nanomaterials انجام شد. این مطالعات اطلاعات بیشتری درباره نحوه توزیع اتم‌های پلاتین و کروم در زمینه نقره و محیط اتمی آن‌ها فراهم کرد.

ترکیب نتایج مدل‌سازی نظری، طیف‌سنجی‌های پرتو ایکس و تصاویر میکروسکوپی نشان داد که جفت‌های پلاتین-کروم قرارگرفته در زمینه نقره، عامل اصلی افزایش فعالیت کاتالیستی آلیاژ سه‌فلزی نسبت به آلیاژهای دوفلزی هستند.

به گفته آناتولی فرنکل، موفقیت این پژوهش نشان می‌دهد که حل برخی مسائل پیچیده علمی تنها با همکاری نزدیک میان نظریه‌پردازان و پژوهشگران آزمایشگاهی و به‌کارگیری هم‌زمان چندین روش تحقیقاتی امکان‌پذیر است.