هو، كاتب ومراسل! استغرق تقديم الطلب إلى النشر 5 سنوات، وأُخذت هذه المقالة النهائية من Nature لحل مشكلة تقنية صناعية!

هنا، في معهد البحوث حول الطاقة المنخفضة الكربونية في شركة الطاقة الوطنية بمدينة بكين (NICE)، قام Peng Wang وZhuowu Men بالتعاون مع Emiel J. M. Hensen من جامعة إيندهوفن للتكنولوجيا بتحسين مشكلات تحويل الغازات الاصطناعية إلى الهيدروكربونات: تم تخصيص وتحسين هذا المحفز الموجه لعملية فاي-تو لتحويل الألفينات الخطية (LAOs) حيث زادت فاعليته عن المحفز الموجه لعملية فاي-تو بمقدار 1-2 رتب دون تخصيص خاص على درجة حرارة 290 درجة مئوية مقارنة بالفاعلية التي يمكن أن يصل إليها المحفز الموجه لعملية فاي-تو عند درجة حرارة تزيد عن 320 درجة مئوية. يستطيع هذا المحفز الاحتفاظ بفعاليته لمدة 200 ساعة، ويولد بنسب محددة من الهيدروكربونات ذات السلسلة C2-C10 المطلوبة وثاني أكسيد الكربون (CO2) بنسبة 51% و9% على التوالي تحت ظروف صناعية ذات صلة. تثبت كفاءة هذا المحفز العالية في نطاق واسع من درجات الحرارة (من 250 إلى 320 درجة مئوية)، مما يظهر إمكانية تطوير تقنيات ذات صلة قابلة للتطبيق. نُشرت هذه النتائج البحثية في أحدث عدد من مجلة "نيتشر" تحت عنوان "تحويل فعال للغازات الاصطناعية إلى ألفينات خطية α بواسطة خامات الحديد الكربونية النقية من الطور χ-Fe5C2". يعد Peng Wang مؤلف الدراسة ومراسلها.

تصميم الاستراتيجية

النص الأساسي يتناول استخدام محفز FT لتحويل الغاز التركيبي (CO وH2) إلى ألفا أولفين مستقيم المساحة (LAO). تواجه تجارب عملية عملية فرمور – توب (Fischer–Tropsch) تحديات في الكفاءة الكربونية المنخفضة، حيث غالباً ما تنتج كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون كناتج جانبي. من أجل تحسين هذا التحويل للاستخدام الصناعي، قام الباحثون بتصميم نظام محفز جديد مبني على نظام الـ χ-Fe5C2 (كربيد Hägg). وتشمل الابتكارات الرئيسية: (1) نقاوة الصورة: حيث يهدف المحفز إلى المحافظة على نقاوة صورة عالية، لضمان تواجدها فقط بصورة χ-Fe5C2 الفعالة، وإزالة الحاجة للمرافقة الضارة بمنافسة الأكسيد الحديد. (2) عامِل التعزيز المنغنيز: ولتحسين الأداء بشكل أكبر، تم إضافة المنغنيز (Mn) كعامِل تعزيز لتحسين نسبة الأولفين إلى الألكان (O/P)، ورفع الاختيارية منتجات مثل LAO المطلوبة، وفي الوقت نفسه تقليل إنتاج ثاني أكسيد الكربون. (3) الأمراء التحسيني: من خلال استخدام تقنيات التوصيل الموجودة، قام الباحثون بمراقبة عن كثب تكوين وتطور الصورة الفعالة في ظروف ذات صلة بالصناعة، لضمان أفضل أداء للمحفز.

أداء التحفيز لـ Mn-χ-Fe5C2 المُحسّن

تم تقييم أداء هذا الحفاز بشمول تحت مختلف الظروف لإثبات ميزته مقارنة بالنظام التقليدي لتقنية Fischer Tropsch. في درجات حرارة منخفضة (250-290 درجة مئوية)، تبين أن حفاز Mn-χ-Fe5C2 يظهر معدل تحويل عالي لغاز أحادي الكربون واختيارية ملحوظة لـ C2-C10 LAO. بعض النتائج الرئيسية تشمل: (1) كفاءة تحويل عالية لغاز أحادي الكربون: حتى في درجة حرارة منخفضة تصل إلى 250 درجة مئوية، كفاءة تحويل غاز أحادي الكربون لهذا الحفاز تكون أعلى بمقدار 3-7 مرات مقارنة بالحفازات الأخرى الأكثر تقدماً (التي عادة ما تعمل في درجات حرارة تزيد عن 320 درجة مئوية). (2) تقليل اختيار الثاني أكسيد الكربون: اختيارية ثاني أكسيد الكربون لحفاز Mn-χ-Fe5C2 يمكن أن تصل إلى 9% عند 250 درجة مئوية، وهو ما يقلل بشكل ملحوظ من فقدان الكربون الذي يتحول إلى ثاني أكسيد الكربون مقارنة بالحفازات الأخرى، ويمكن أن يصل إلى 45% في بعض الحالات. (3) نسبة الأولفين إلى البارافين (O/P): نسبة O/P ترتفع بشكل ملحوظ من 1.2 في الحفازات غير المعززة إلى 4.1 في الحفازات التي تحتوي على عنصر المنغنيز، مما يشير إلى زيادة إنتاج الأولفينات الأكثر قيمة. تلعب إضافة المنغنيز دورًا حيويًا في هذا التأثير المحسن، حيث يمكنه تعزيز امتصاص غاز أحادي الكربون الأقوى لكبح تحول الأولفينات إلى بارافينات ناتجة عن الهيدروجينة الثانوية.

الصور 1a و 1c تظهر بيانات زمن التشغيل لمعدل تحويل ثاني أكسيد الكربون وانتقائية المنتج في درجة حرارة 250 درجة مئوية و290 درجة مئوية على التوالي، مما يسلط الضوء على استقرارية وكفاءة المحفز على مدى فترة طويلة (تصل إلى 100 ساعة). الصور 1b و 1d توضح توزيع المركبات الهيدروكربونية، وتظهر إنتاجية كبيرة لمركب ال LAO وانتقائية منخفضة للمنتجات غير المرغوب فيها مثل الميثان وثاني أكسيد الكربون. الصور 1e و 1f تقدم تحليل مقارن لانتقائية الكربون ومعدل إنتاج LAO المستهدف عبر الزمن، مما يؤكد أن محفز Mn-χ-Fe5C2 فعال أكثر من المحفزات المعروفة من ناحية إنتاجية LAO وتثبيط ثاني أكسيد الكربون.

الشكل 1. أداء التحفيز المحسن لـ Mn-χ-Fe5C2

توصف وتتبع تشكل وتطور الفاز النشط في مكانه الأصلي.

لفهم تكوّن وتطور المرحلة النشطة χ-Fe5C2، استخدم الباحثون تقنيات التشتت الإشعاعي الحي والطيفي الموزباور. يمكن لهذه التقنيات مُراقبة تحوّل الراينيت الحديدي إلى المرحلة النشطة χ-Fe5C2 في وقت حقيقي تحت تيار الغاز التخليقي عند درجات حرارة عالية. رصدت صورة XRD الحيّة (الشكل 2 أ، ب) عملية تلوين الكربون من 300°C إلى 350°C، مُظهرة نجاح تكوين المرحلة χ-Fe5C2 النقية. أظهرت العينات غير المعززة والتي تحتوي على المنجنيز بصمات تلوين مشابهة للكربون، مؤكدة استدامة هذه العملية. يمكن فهم استقرارية ونقاوة المرحلة χ-Fe5C2 بشكل أفضل عبر الطيفية. أثبتت البيانات (الشكل 2 ج، د) أن المحفز الذي يحتوي على المنجنيز يمكنه الحفاظ على نقاوة المرحلة حتى بعد التشغيل لفترة طويلة تحت ظروف Fisher-Tropsch، مع الاحتفاظ بالكربونة الحديدية كمرحلة أساسية، مما يضمن النشاطية التيلاقي. هذه السمات الوصفية الحية تثبت أن المراحل الحفازية يمكن أن تتكوّن وتظل مستقرة بشكل موثوق تحت ظروف صناعية، مما يجعل من الممكن استخدام نظام Mn-χ-Fe5C2 في عمليات Fisher-Tropsch طويلة المدى.

الصورة 2: توصيف مواقع تكوين وتطور المرحلة النشطة في المكان

دراسة بيئة تكنولوجيا الإلكترونات المجهرية المتقدمة (TEM) لتشكيل الحالة النقية لـ Fe5C2.

تم استخدام المجهر الإلكتروني ذو الانعكاس البيئي (TEM) لمشاهدة مباشرة لعملية تسرب الكربون في بيئة الغاز الاصطناعي خلال تكون χ-Fe5C2 على مستوى ميكروسكوبي. هذه الطريقة تمكّن الباحثين من التقاط التحولات في الزمن الحقيقي على مستوى الذرات. توضح سلسلة الصور TEM عالية الدقة (الشكل 3) تحول رينيه الحديد من حالته الابتدائية (التي يحيط بها طبقة أكسيدية غير بلورية) إلى المرحلة النقية χ-Fe5C2 المكربنة بالكامل. تظهر الصور بدء التكربن من الطبقة الداخلية وتتجه نحو الخارج، وينتهي في 30 دقيقة. الحالة النهائية تُظهر تشكيل χ-Fe5C2 في اتجاه بنية بلورية (311)، مما يؤكد تكوين الفاز المطلوب بتباعد بلوري قدره 2.7 Å.

تقديم دراسة بيئية باستخدام مجهر الانتقال الإلكتروني للتحليل لتشكيل Fe5C2 χ-نقي المرحلة المتطابقة.

هل تريد أن تترجم هذه الكلمة إلى اللغة الإنجليزية؟

توصلت الدراسة إلى عدة اكتشافات مهمة حول تطوير وتطبيق Mn-χ-Fe5C2 النقي كعامل حفاز لنظام Fischer-Tropsch لإنتاج الألكانات المستقيمة α- من الغاز التركيبي بكفاءة عالية. (١) أداء ممتاز: أظهر الحفاز المعدل Mn-χ-Fe5C2 القدرة المتميزة على تحويل الغاز التركيبي إلى الألكانات المستقيمة α-، حيث يتمتع بمعدل تحويل CO عالي وانتقائية منخفضة نحو CO2، متفوقاً في النشاط والانتقائية على حفازات Fischer-Tropsch المعروفة الأخرى. (٢) تعزيز بواسطة المنجنيز: حتى في ظروف التشغيل الطويلة، يمكن لإضافة عنصر المنجنيز زيادة ملحوظة في نسبة O/P وانتقائية الألكانات المستقيمة α-، مع الحفاظ على استقرارية χ-Fe5C2 ونقاوة المرحلة. (٣) الصلة بالصناعة: أداء الحفاز تحت درجة حرارة وضغط معتدلين، وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون المنخفضة، يجعله مرشحا محتملا واعدا للاستخدام في صناعة Fischer-Tropsch، موفرا إمكانية تحقيق مستويات عالية لإنتاج الألكانات المستقيمة α- مع إنتاجية قليلة للمنتجات الثانوية، مما يوفر إمكانية لعملية تحويل مستدامة لغاز التركيب. (٤) القابلية للتوسيع: تقنيات التوصيف الواقعية المستخدمة في هذه الدراسة تضمن أن العملية الحفازية يمكن توسيعها للاستخدام الصناعي، مع تشكيل طور نشط بشكل مستقر تحت شروط التشغيل.

بشكل عام، حققت محفز Mn-χ-Fe5C2 تقدمًا كبيرًا في مجال الكيميائية الحفازية، وله احتمالات تطبيقية كبيرة لا تقتصر على إنتاج احماض الألكانو اللورينيكي، بل يمكن استخدامه أيضًا لإنتاج مركبات هيدروكربونية ومواد كيميائية ذات قيمة أخرى من مواد الغاز القابلة للتجديد.