كيفية استخدام البلاتين في الحفز الحفزي

يعد البلاتين أحد أكثر المواد الحفازة فعالية واستخداماً على نطاق واسع في التكنولوجيا الحديثة. من خلايا الوقود والمصانع الكيميائية إلى أنظمة التحكم في انبعاثات السيارات، يتيح البلاتين حدوث التفاعلات بشكل أسرع وأكثر كفاءة وفي ظروف أكثر اعتدالاً مما كان ممكناً لولا ذلك. ولفهم سبب أهمية البلاتينيوم الكبيرة، من المفيد النظر إلى كيفية عمله على المستوى الذري، وكيفية استخدامه في المحولات الحفازة، وأين يلعب دورًا صناعيًا مهمًا آخر.

[1]

كيف يعمل المحفز البلاتيني؟

إذا كنت تفهم التحليل الكهربائي، فمن المفيد التفكير في خلية الوقود على أنها تحليل كهربائي معكوس.

في التحليل الكهربائي للماء، تقوم بتطبيق جهد كهربائي لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. من الناحية النظرية، يلزم حد أدنى من الجهد الكهربي لجعل التفاعل يحدث. ولكن في الممارسة العملية، قد تحتاج إلى أكثر من الحد الأدنى للجهد. ويسمى هذا الجهد الإضافي "الجهد الزائد"، وهو مقياس لفقدان الطاقة الذي يحدث لأن التفاعل ليس مثاليًا على سطح القطب.

البلاتين مميز لأنه بالنسبة لتفاعلات الهيدروجين، فإن جهده الزائد قريب جدًا من الصفر. وهذا يعني أن تفاعلات الهيدروجين تحدث بكفاءة عالية على سطح البلاتين، مع فقد ضئيل للغاية للطاقة. وهذا هو سبب أهمية البلاتين في خلايا الوقود الهيدروجينية والمحللات الكهربائية.

وهناك تفسير أكثر تفصيلاً لسبب فائدة البلاتين يتعلق بكيفية تفاعل البلاتين مع الجزيئات الموجودة على سطحه.

فغاز الهيدروجين (H₂)، على سبيل المثال، لا يتفاعل بسهولة في الفضاء الحر في درجة حرارة الغرفة. ولكن عندما تتلامس جزيئات H₂ مع سطح البلاتين، يحدث شيء مهم:

• يمتص جزيء الهيدروجين (يلتصق) على سطح البلاتين.
• تضعف الرابطة H-H وتنكسر.
• وتتكون رابطتان جديدتان Pt-H.
• يمكن لكل ذرة هيدروجين بعد ذلك أن تفقد إلكترونًا بسهولة أكبر، مكونة بروتونات (H⁺).

المفتاح هو التوازن. ويربط البلاتين الهيدروجين بقوة كافية لكسر الرابطة H-H، ولكن ليس بقوة بحيث تظل ذرات الهيدروجين عالقة بشكل دائم. فالمعادن التي تربط الهيدروجين بضعف شديد لا يمكنها تنشيطه بكفاءة. أما المعادن التي تربطه بقوة شديدة فتتمسك به وتبطئ التفاعل. ويقع البلاتين بالقرب من "البقعة الحلوة" في هذا التوازن، مما يجعله فعالاً بشكل استثنائي.

وعلى نطاق أوسع، ينتمي البلاتين إلى مجموعة المعادن المعروفة باسم عناصر مجموعة البلاتين (PGEs)، والتي تشمل البلاديوم والروديوم والروثينيوم والإيريديوم والأوزميوم. تشترك هذه المعادن في عدة خصائص مهمة:

• درجات انصهار عالية
• مقاومة قوية للتآكل
• حالات أكسدة متعددة
• قدرة عالية على امتصاص الغازات

كيفية استخدام محفز البلاتين بشكل شائع في المحولات الحفازة

أحد أبرز وأكبر استخدامات المحفزات البلاتينية هو في المحولات الحفازة للسيارات.

تم اختراع المحول التحفيزي في منتصف السبعينيات نتيجة للوائح جودة الهواء التي طالبت بتخفيضات جذرية في الانبعاثات من السيارات. وقد أدى قانون الهواء النظيف في الولايات المتحدة إلى انتشار استخدام المحولات الحفازة على نطاق واسع منذ عام 1975 فصاعداً. ظهرت مثل هذه التشريعات في أوروبا وأجزاء أخرى من العالم في التسعينيات.

يتم تركيب المحول التحفيزي على نظام عادم السيارة. ولا يتضح تعقيده على الفور من تصميمه الخارجي.

ويوجد داخل الغلاف المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ متراصة من السيراميك على شكل قرص العسل. يتيح تصميم قرص العسل زيادة مساحة السطح بشكل كبير مع مقاومة قليلة لتدفق غازات العادم.

ثم يتم طلاء الركيزة الخزفية بطبقة "طبقة "غسيل". تضيف طبقة الغسيل إلى مساحة السطح وتساعد أيضًا في تثبيت المعادن النشطة. ثم يتم تشتيت معادن المجموعة البلاتينية، التي تشمل البلاتين (Pt) والبلاديوم (Pd) والروديوم (Rh)، على شكل جسيمات نانوية دقيقة جدًا على الطبقة. وعادة ما يكون التحميل الكلي لـ PGEs عادةً حوالي 0.1% من الوزن، ولكن بما أنها مشتتة كجسيمات أصغر من 10 نانومتر في الحجم عندما تكون جديدة، فإن مساحة سطحها تكون هائلة.

في محركات البنزين، تقوم المحولات التحفيزية "ثلاثية الاتجاهات" بثلاثة تفاعلات متزامنة:

• أكسدة أول أكسيد الكربون (CO) إلى ثاني أكسيد الكربون (CO₂)
• أكسدة الهيدروكربونات غير المحترقة (UHCs) إلى ثاني أكسيد الكربون₂ والماء
• اختزال أكاسيد النيتروجين (NOـ NO) إلى نيتروجين (N₂)

يحفز البلاتين والبلاديوم في المقام الأول تفاعلات الأكسدة. ويُعد الروديوم فعالاً بشكل خاص في اختزال NOـ NOـ NO. بعبارات بسيطة، يوفر البلاتين داخل المحول التحفيزي سطحاً تفاعلياً حيث يتم تحويل غازات العادم الضارة إلى مواد أقل سمية قبل أن تغادر أنبوب العادم.

الاستخدامات الأخرى للمحفزات البلاتينية

على الرغم من أن المحولات التحفيزية هي الاستخدام الأكثر شيوعاً، إلا أن الدور التحفيزي للبلاتين يمتد إلى ما هو أبعد من صناعة السيارات.

خلايا الوقود والطاقة الهيدروجينية

في خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (PEM) ، يستخدم البلاتين في كلا القطبين:

• في الأنود، يحفز البلاتين أكسدة الهيدروجين (H₂ → 2H⁺ + 2e-).
• وعند المهبط، يحفّز اختزال الأكسجين (O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O).

تولد هذه التفاعلات الكهرباء مع الماء كمنتج ثانوي وحيد. ويُعدّ الجهد الزائد المنخفض للبلاتين لتفاعلات الهيدروجين أمراً بالغ الأهمية لتحقيق كفاءة عالية لخلية الوقود.

التصنيع الكيميائي

تُستخدم المحفزات البلاتينية على نطاق واسع في:

• هدرجة المركبات العضوية
• إصلاح البترول لتحسين معدلات الأوكتان في البنزين
• إنتاج حمض النيتريك (غالبًا باستخدام شاش البلاتين والصوديوم لأكسدة الأمونيا)

في العديد من هذه العمليات، يعمل البلاتين في درجات حرارة عالية وفي بيئات تآكل حيث تتحلل المعادن الأقل نبلاً بسرعة.

إنتاج السيليكون والمواد الكيميائية المتخصصة

تُعد المحفزات البلاتينية ضرورية في تفاعلات التذويب المائي المستخدمة لإنتاج السيليكون. وتستخدم هذه المواد على نطاق واسع في الإلكترونيات والأجهزة الطبية ومانعات التسرب والطلاء.

معالجة الغازات البيئية والصناعية

يُستخدم البلاتين أيضاً في عمليات الأكسدة الصناعية وأنظمة تنقية الهواء ووحدات معالجة الغازات العادمة. كما أن متانته وقابليته لإعادة التدوير تجعله مناسباً للعمليات الصناعية طويلة الأجل وعالية الإنتاجية.

الخاتمة

تأتي قوةالبلاتين التحفيزية من مزيج نادر من الخصائص: فهو يمتص الغازات بفعالية، وينشط الروابط الكيميائية بكفاءة، ويبقى مستقرًا في ظل الظروف الحرارية والكيميائية القاسية. في المحولات الحفازة، يحول غازات العادم الضارة إلى انبعاثات أكثر أماناً. وفي خلايا الوقود، يتيح تحويل طاقة الهيدروجين بكفاءة. وفي المصانع الكيميائية، يحرك التفاعلات الصناعية واسعة النطاق بدقة ومتانة.

مرجع:

[1] Pianowska, Karolina & Karolina & Kluczka, Joanna & Benke, Grzegorz & Gzegorz & Goc, Karolina & Malarz, Joanna & Ochmański, Michał & Leszczyńska-Sejda, Katarzyna. (2023). استخلاص المذيبات كطريقة لاستعادة وفصل معادن مجموعة البلاتين. المواد. 16. 4681. 10.3390/MA16134681.