انقلاب انسكاب الأكسجين المعتمد على حجم البلاتين في Pt/TiO2 الممَّد بالنحاس القصديري لأكسدة CO

تنقية الهواء الملوّث بجزيئات معدنية دقيقة

تحتوي الانبعاثات الهوائية الناتجة عن عوادم السيارات والأفران الصناعية على أول أكسيد الكربون (CO)، وهو غاز سام يجب إزالته قبل إطلاقه في الغلاف الجوي. تُستخدم على نطاق واسع محفزات مصنوعة من جسيمات دقيقة من البلاتين على مؤيدات من أكاسيد المعادن لهذه المهمة، لكن العلماء لا يزالون يناقشون الترتيبات الذرية الدقيقة التي تجعل هذه المحفزات أكثر فعالية. تكشف هذه الدراسة كيف يتحكم حجم جسيمات البلاتين في عملية نقل أكسجين دقيقة على السطح، ما يقدم وصفة جديدة لمواد تنقية هواء أكثر كفاءة ومتانة.

كيف يتشارك سطح الحفاز الأكسجين

تُوضَع ذرات البلاتين على داعم من ثنائي أكسيد التيتانيوم تم تعديله عمدًا بإضافة ذرات القصدير. هذا يخلق مواقع أكسجين غير متوازنة قليلًا يمكنها التحرك بسهولة أكبر. أثناء تنظيف CO، يمكن أن ينتقل الأكسجين في اتجاه غير مألوف: بدلاً من أن يغادر الأكسجين المعدن ويتجه إلى الداعم، تقفز ذرات الأكسجين من الداعم إلى البلاتين. يحول هذا "انسكاب الأكسجين المعكوس" البلاتين مؤقتًا إلى شكل أكثر غنى بالأكسجين يمكنه حرق CO بسرعة إلى ثاني أكسيد الكربون حتى عند درجات حرارة منخفضة. فهم متى وكيف يحدث هذا التشارك بالأكسجين أمر حاسم لتصميم محفزات أفضل.

لماذا يهم حجم الجسيمات

حضّر الباحثون مجموعة من المحفزات يظهر فيها البلاتين كذرات مفردة معزولة، أو عناقيد صغيرة تحتوي على عدة ذرات، أو بلورات نانوية أكبر. أكدوا هذه البنى باستخدام مجهر إلكتروني متقدم وتقنيات أشعة سينية، مع إبقاء الداعم الأساسي متشابهًا إلى حد كبير. من خلال تمرير CO فوق المحفزات وتعقب كمية CO وCO2 المتشكلة بدقة، تمكنوا من تقدير كمية الأكسجين النشط المشاركة في التفاعل. تميّزت هياكل البلاتين على شكل عناقيد نانوية، حيث وفرت أكبر كمية من الأكسجين التفاعلي وأسرع معدل تحويل لـ CO، تقريبًا ضعف ما لوحظ مع الذرات المفردة أو البلورات الكبيرة.

مراقبة تحرك الأكسجين في الوقت الحقيقي

لرصد ما يحدث أثناء التفاعل، استخدم الفريق طرقًا in situ تفحص الحفاز أثناء عمله. أظهرت طيفية فوتوإلكترون أشعة سينية عند ضغوط قريبة من الظروف الجوية وطيفية رامان أنه في وجود الأكسجين وحده، بقي البلاتين في حالة أكسدة معتدلة وكانت شبكة الداعم مستقرة. ومع إدخال CO، هاجرت ذرات الأكسجين من الداعم الممَّد بالقصدير إلى البلاتين، مما زاد من حالة أكسدته—دليل مباشر على انسكاب الأكسجين المعكوس. كان هذا التأثير أقوى بالنسبة للبلاتين في شكل عناقيد نانوية، أضعف في البلورات النانوية، وغائبا عمليًا بالنسبة للذرات المفردة المعزولة. أكدت قياسات الأشعة تحت الحمراء للجزيئات الممتزة من CO أن الحالة الإلكترونية للبلاتين تغيرت بشكل دراماتيكي أكثر على العناقيد النانوية مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يشير مرة أخرى إلى حركة أكسجين أكثر نشاطًا.

المحاكاة تكشف الرقصة الذرية

ساعدت محاكيات الحاسوب المبنية على ميكانيكا الكم في تفسير سبب اختلاف سلوك الأحجام المختلفة بهذا الشكل. بالنسبة للذرات المفردة من البلاتين، يرتبط CO بقوة لدرجة أن البنية تتقفل، مما يمنع الأكسجين من الانتقال من الداعم إلى المعدن. بالنسبة لبلورات البلاتين الكبيرة، يؤدي امتزاز CO إلى كسر الاتصال بين البلاتين والداعم، فتتوقف تدفقات الأكسجين عبر الواجهة. بالمقابل، على العناقيد النانوية ارتباط CO معتدل: يحفز تدفقًا قويًا للإلكترونات نحو الأكسجين عند الواجهة، مما يضعف ارتباطه بالداعم ويشجعه على القفز إلى البلاتين. هذه الخطوة تخفض حاجز الطاقة لتحويل CO إلى CO2، محدثة دورة تفاعل أسرع وأكثر كفاءة.

تصميم محفزات أفضل لهواء أنظف

ترسم التجارب والمحاكاة معًا صورة واضحة: عناقيد بلاتين نانوية على داعم من ثنائي أكسيد التيتانيوم الممَّد بالقصدير تحقق نقطة توازن حيث يمكن للأكسجين أن يتنقل بسهولة ذهابًا وإيابًا، مما يغذي أكسدة CO منخفضة الحرارة دون زعزعة استقرار الحفاز. تحبس الذرات المفردة CO بشدة تمنع هذا المسار، بينما تفقد الجسيمات الكبيرة الاتصال بالداعم الغني بالأكسجين. من خلال ضبط حجم الجسيمات وتركيب الداعم لتعظيم انسكاب الأكسجين المعكوس، يمكن للمهندسين تصميم محفزات أكثر فاعلية لتنقية عوادم المركبات والأفران الصناعية، مما يساعد على تقليل الانبعاثات السامة وتحسين جودة الهواء.

الاستشهاد: Xiong, S., Gong, Z., Wang, H. et al. Pt size-dependent reverse oxygen spillover on Sn-doped Pt/TiO₂ for CO oxidation. Nat Commun 17, 3380 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69327-x

الكلمات المفتاحية: أكسدة أول أكسيد الكربون, عناقيد نانوية من البلاتين, انسكاب الأكسجين, حفازات لمكافحة الانبعاثات, داعم أكسيد التيتانيوم