جامعة أمريكية تكتشف محفزًا ينقي المياه من مبيدات الأعشاب وينتج الهيدروجين

طورت جامعة ولاية أوريغون محفزًا مزدوج الاستخدام ينظف المياه الملوثة بمبيدات الأعشاب مثل الغليفوسات وينتج غاز الهيدروجين . يتكون المحفز من مواد شبه موصلة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم. المحفز قادر على أداء التحفيز الضوئي ، والذي يمتص الضوء لتفكيك الملوثات العضوية.

طور باحثون في كلية العلوم بجامعة ولاية أوريغون محفزًا ثنائي الغرض ينقي المياه الملوثة بمبيدات الأعشاب وينتج الهيدروجين.

يعد المشروع ، الذي شارك فيه باحثون من كلية الهندسة في جامعة ولاية أوهايو وشركة HP Inc. ، مهمًا لأن تلوث المياه يمثل تحديًا عالميًا كبيرًا والهيدروجين وقودًا نظيفًا ومتجددًا.
نُشرت نتائج الدراسة ، التي استكشفت المحفزات النشطة ضوئيًا ، في مجلة ACS Catalysis.

قال كيرياكوس ستيليانو من جامعة ولاية أوهايو: "يمكننا الجمع بين الأكسدة والاختزال في عملية واحدة للحصول على نظام تحفيز ضوئي فعال. تحدث الأكسدة من خلال تفاعل التحلل الضوئي والاختزال من خلال تفاعل تطور الهيدروجين ".

المحفز هو مادة تزيد من معدل التفاعل الكيميائي دون أن تخضع لأية تغيرات كيميائية دائمة.

المحفزات الضوئية عبارة عن مواد تمتص الضوء للوصول إلى مستوى طاقة أعلى ويمكنها استخدام هذه الطاقة لتفكيك الملوثات العضوية من خلال الأكسدة. من بين التطبيقات العديدة للمحفزات الضوئية ، الطلاءات ذاتية التنظيف للجدران والأرضيات والأسقف والأثاث المقاوم للبقع والروائح.

قاد Stylianou ، أستاذ الكيمياء المساعد ، الدراسة ، التي تضمنت محفزات ضوئية لثاني أكسيد التيتانيوم مشتقة من إطار معدني عضوي ، أو MOF.

تتكون الأطر العضوية المعدنية من أيونات معدنية موجبة الشحنة محاطة بجزيئات الوصلة العضوية ، وهي مواد بلورية مسامية ذات خصائص هيكلية قابلة للضبط ومسام بحجم نانومتر. يمكن تصميمها بمجموعة متنوعة من المكونات التي تحدد خصائص الأطر العضوية المعدنية.

من خلال تكليس الأطر العضوية المعدنية - التسخين العالي دون ذوبان - يمكن توليد مواد أشباه الموصلات مثل ثاني أكسيد التيتانيوم. ثاني أكسيد التيتانيوم هو المحفز الضوئي الأكثر استخدامًا ويوجد في معادن أناتاز والروتيل والبروكيت.

وجد Stylianou ومعاونوه ، بما في ذلك Líney Árnadóttir من كلية الهندسة في OSU و William Stickle من HP ، أن anatase المخدر بالنيتروجين والكبريت هو أفضل محفز ضوئي "عصفورين بحجر واحد" لإنتاج الهيدروجين في نفس الوقت وتحلل الغليفوسات ، على نطاق واسع تستخدم مبيدات الأعشاب.

تم رش الغليفوسات ، المعروف أيضًا باسم N-phosphonomethylglycine أو PMG ، على نطاق واسع في الحقول الزراعية على مدار الخمسين عامًا الماضية ، منذ ظهوره لأول مرة في السوق تحت الاسم التجاري Roundup حيث تعرض مرارًا وتكرارًا للنيران كمادة مسرطنة.
وأشار Stylianou: "فقط نسبة صغيرة من إجمالي كمية PMG المطبقة يتم تناولها بواسطة المحاصيل ، والباقي يصل إلى البيئة." وهذا يسبب مخاوف بشأن تسرب مادة PMG إلى التربة والمياه الجوفية ، كما ينبغي: فالمياه الملوثة يمكن أن تضر بصحة كل كائن حي على هذا الكوكب. ومبيدات الأعشاب التي تتسرب إلى المجاري المائية هي السبب الرئيسي لتلوث المياه ".

من بين المركبات المختلفة التي يوجد فيها الهيدروجين ، يعتبر الماء هو الأكثر شيوعًا وإنتاج الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء من خلال التحفيز الضوئي هو أنظف وأكثر استدامة من الطريقة التقليدية لصنع الهيدروجين - من الغاز الطبيعي من خلال عملية إنتاج ثاني أكسيد الكربون المعروفة باسم إصلاح الميثان البخاري .

للهيدروجين العديد من الأغراض العلمية والصناعية غير الطاقة. يتم استخدامه في خلايا الوقود للسيارات ، وفي إنتاج العديد من المواد الكيميائية بما في ذلك الأمونيا ، وفي تكرير المعادن وإنتاج البلاستيك.

قال ستيليانو: "الماء مصدر غني للهيدروجين ، والتحفيز الضوئي هو أحد السبل لتسخير الطاقة الشمسية الوفيرة للأرض لإنتاج الهيدروجين والمعالجة البيئية". "نحن نثبت أنه من خلال التحفيز الضوئي ، من الممكن إنتاج وقود متجدد مع إزالة الملوثات العضوية أو تحويلها إلى منتجات مفيدة."

من غير المعتاد رؤية عامل حفاز يعمل في وضع مزدوج ، مما يوفر فائدتين. يتم تقديم "التحلل" نتيجة PMG ، مع تكوين الجلايسين وحمض الفورميك وحمض الفوسفوريك كمنتجات تحلل رئيسية ، والتي ستحتاج بعد ذلك إلى فصلها عن الماء ، وإن كانت أقل سمية من المنتج الأولي. إجراء إنتاج الهيدروجين غير واضح فيما يتعلق بأكسجين الماء. لا يوضح البيان الصحفي أيضًا ما يحدث للأكسجين الناتج عن انقسام الماء: الحصول على مزيج من الهيدروجين والأكسجين في حد ذاته لن يكون مفيدًا بشكل خاص ، فضلاً عن كونه خطيرًا.

في الوقت الحالي ، ثبت فقط أن العملية تعمل وأن مرحلة الهندسة والتصنيع بأكملها مفقودة ، مثل تحويل عملية تعمل على مستوى تجريبي إلى عملية يمكن استخدامها على نطاق مفيد للنشاط البشري. ومع ذلك ، فهو تقدم في مجال المحفزات التي تعتبر تنقية المياه من مبيدات الأعشاب ميزتها الرئيسية وإنتاج الهيدروجين من الماء كميزة ثانوية.

تكتشف مقالة جامعة الولايات المتحدة الأمريكية أن العامل المساعد الذي ينقي المياه من مبيدات الأعشاب وينتج الهيدروجين يأتي من السيناريوهات الاقتصادية .