دستیابی پژوهشگران چینی به کاتالیزور نوری پرآنتروپی فوق‌العاده برای تبدیل CO₂

پژوهشگران چینی با دستیابی به یک روش سنتز نوآورانه، موفق به تولید نانوذرات پایدار آلیاژ پرآنتروپی (High-Entropy Alloy) شدند که عملکردی بی‌نظیر در تبدیل کارآمد دی‌اکسید کربن (CO₂) به مونوکسید کربن (CO) از خود نشان می‌دهد؛ این دستاورد می‌تواند گامی مهم در جهت توسعه کاتالیزورهای نوری برای کاهش گازهای گلخانه‌ای باشد.

روش نوین سنتز نانوذرات با پلاسمای آبی

این آلیاژ شامل پنج فلز با نسبت‌های تقریباً برابر است و سنتز آن در مقیاس نانو همواره یکی از چالش‌های اصلی پژوهشی در این حوزه محسوب می‌شد. محققان برای غلبه بر این چالش، از یک تکنیک نوآورانه پلاسما در محیط آبی استفاده کردند.

در این روش، پلاسما بین دو میله آلیاژی که در یک حمام آب غوطه‌ور هستند، ایجاد می‌شود. در محلول، ذرات اکسیدی مانند دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) وجود دارند. الکترون‌ها و یون‌های پرانرژی پلاسما بخش‌های کوچکی از سطح آلیاژ را ذوب می‌کنند و قطرات مذاب حاصل در آب به سرعت سرد می‌شوند، پیش از آنکه فلزات فرصت جدایی از یکدیگر را پیدا کنند. ذرات اکسیدی معلق، این قطرات را جذب کرده و از ادغام مجدد آنها جلوگیری می‌کنند.

نتیجه نهایی، تولید نانوذراتی تقریباً کروی با قطر حدود ۲۰۰ نانومتر است که به طور محکم روی سطح پشتیبان قرار می‌گیرند و ترکیب پنج فلزی اصلی خود را حفظ می‌کنند.

ساختار و پایداری کاتالیزور پرآنتروپی

تحلیل‌های شیمیایی نشان داد که هر نانوذره دارای یک هسته فلزی و یک پوشش اکسیدی غنی از کروم و منگنز است. این پوسته به عنوان یک لایه خودمحافظ عمل می‌کند، از اکسید شدن بیشتر جلوگیری کرده و پایداری نانوذرات را در طول واکنش‌های کاتالیزوری تضمین می‌نماید.

عملکرد خیره‌کننده در تبدیل نوری CO₂

آزمایش‌های کاتالیزوری با استفاده از TiO₂ به عنوان پشتیبان، قابلیت منحصر به فرد این آلیاژ را در تبدیل دی‌اکسید کربن و هیدروژن تنها به مونوکسید کربن (بدون محصولات جانبی ناخواسته) به اثبات رساند.

• تحت تابش نور، نرخ واکنش اولیه به ۱۷.۵۵ میلی‌مول بر گرم در ساعت رسید.
• پس از اصلاح نسبت محتوای آلیاژ، این مقدار به طور چشمگیری تا ۲۹۸.۱ میلی‌مول بر گرم نانوذره در ساعت افزایش یافت.

این عملکرد به مراتب بالاتر از کاتالیزورهای تک‌فلزی رایج است. همچنین، مشخص شد که نور نه تنها واکنش را تسهیل می‌کند، بلکه انرژی فعال‌سازی آن را نیز کاهش می‌دهد. آزمایش‌های ایزوتوپی نیز تأیید کردند که کربن موجود در محصول نهایی (مونوکسید کربن) به طور کامل از CO₂ تأمین شده است.

سازوکار واکنش و نقش فلزات در کاتالیز

طیف‌سنجی‌ها نشان می‌دهند که CO₂ ابتدا روی سطح نانوذرات جذب شده و به صورت ترکیبات واسطه‌ای آماده واکنش درمی‌آید. نتایج دقیق‌تر از جمله فتوالکترون پرتو ایکس (XPS) جزئیات نقش هر فلز را روشن ساخت:

کبالت و نیکل در حضور نور غنی از الکترون می‌شوند، در حالی که کروم و منگنز فقیر از الکترون می‌گردند. در این میان، آهن نقش محوری انتقال بار را در ساختار کاتالیزور ایفا می‌کند.

اندازه‌گیری‌های رامان نیز مسیر حرکت اکسیژن تولیدشده روی سطح را ردیابی کردند و نشان دادند که اکسیژن به سمت اکسیدهای کروم و منگنز حرکت می‌کند، که این فرآیند به حفظ فعالیت کاتالیزور کمک شایانی می‌کند.

چشم‌انداز آینده

پژوهشگران دانشگاه نورمال شمال شرقی در چانگچون اعلام کردند که مدل‌سازی‌ها و آزمایش‌ها روی سایر پشتیبان‌ها نیز نشان داده است که این روش می‌تواند به طور مؤثری کاتالیزورهایی پایدار، کارآمد و مبتنی بر نور برای تبدیل CO₂ ایجاد کند. جزئیات کامل این تحقیق پیشگامانه در نشریه معتبر Advanced Materials به چاپ رسیده است.