إن الأمونيا هي واحدة من أهم المواد الكيميائية على الكوكب، حيث أن الغالبية العظمى من إنتاج الأمونيا يتجه إلى الأسمدة القائمة على النيتروجين، التي تدعم إمدادات الأغذية لحوالي نصف سكان العالم، فبعد الزراعة، تكتسب الأمونيا محركات كثيفة الطاقة، ووقود للشحن، ووسيلة للتخزين الهيدروجيني، تنتج حالياً أكثر من 180 مليون طن متري من الأمونيا.

عملية هابر - بوش والحدود التي تفرضها

إن عملية هابر - بوش، التي طورتها في أوائل القرن العشرين فريتز هابر وكارل بوش، لا تزال العمود الفقري الصناعي لإنتاج الأمونيا، حيث تجمع التفاعل بين النيتروجين الجوي والهيدروجين المستمد أساسا من الغاز الطبيعي (عبر إصلاح البخار) في بيئة عالية الضغط (150-250 بار) ومتوسطة الحرارة (400-500 درجة مئوية).

وفي حين أن شركة هابر - بوش هي تحويلات ذات قيمة واحدة بنسبة تتراوح بين 10 و20 في المائة، وتأتي العائدات الإجمالية التي تتجاوز 90 في المائة، وتنجم عنها عيوب شديدة، وتستلزم الظروف القصوى مفاعلات ذات وزن ثقيل، وأجهزة ضغط عالية، ومدخلات كبيرة للطاقة، مما يحد من درجة الحرارة والضغط الضروريين، وكثيرا ما يتم توفير هذه الطاقة عن طريق حرق الوقود الأحفوري، مما يعني أن العملية تجسد مباشرة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون:

وعلى الرغم من أن الحفاز الحديدي نفسه يعاني من قيود حركية أساسية، فهو يعمل على أفضل وجه في ظل الظروف القاسية التي تدفع رد الفعل إلى الأمام، ولكنه يعاني من بطء معدلات الحرارة عند درجات حرارة أقل، وتؤدي محاولات الحد من درجة الحرارة والضغط إلى تحويلات منخفضة غير مقبولة، وهذا التبادل الحرفي والكنائي هو التحدي الأساسي الذي يجب أن تتغلب عليه العوامل الحفازة الجديدة.

لماذا عاملين حافزين مؤثرين

فالأهداف الاقتصادية والبيئية هائلة، إذ يمكن أن يؤدي تخفيض درجة الحرارة والضغط على تركيب الأمونيا إلى خفض استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة، مما يؤدي إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتكاليف التشغيل بصورة مباشرة، بل إن حدوث تحسن متواضع في النشاط الحفاز يمكن أن يتيح للمصانع القائمة زيادة الإنتاج دون بناء مفاعلات جديدة، وعلاوة على ذلك، فإن الحفاز الذي يعمل في ظل ظروف مخففة يمكن أن يتيح استخدام الهيدروجين المتجدد (من الهرم الكهربي) الذي ينتج بصورة متقطعة، نظراً إلى وجود رؤية أكثر مرونة.

وعلى جبهة التكلفة، تؤدي عوامل حفازة أكثر نشاطا واستقرارا إلى تخفيض كمية المعادن النبيلة الغالية أو العناصر الأرضية النادرة اللازمة، إذ أن العديد من أكثر العوامل الحفازة واعدة تنتقل من الحديد، وتعتمد بدلا من ذلك على مواد أكثر وفرة وأرخص مثل الموليبينوم والكوبالت والتنغستن، وتزيد من كفاءة كل مقياس جديد من الطوابق، مما يؤدي إلى الحد من التحميلات المادية.

كما أن دفعة المحفزات الفعالة من حيث التكلفة تتوافق مع الاتجاه الأوسع نحو الكهربة والإنتاج الكيميائي اللامركزي، إذ يمكن للطرق الكهربية التي تتعدى دورة كارنوت أن تحول النيتروجين والمياه إلى الأمونيا في ظروف آمنة باستخدام الكهرباء المتجددة، وعلى الرغم من أن هذه التكنولوجيا لا تزال في مراحل مبكرة، أن تحول إنتاج الأمونيا من صناعة مركزية وكثيفة رأس المال إلى نظام موزع.

المواد والتكنولوجيات الناشئة في مجال المصانع

وخلال العقد الماضي، حددت زيادة كبيرة في البحوث عددا من الأسر الواعدة التي تحفز على الارتداد إما بالحديد الميكانيكي أو التجاوز عن طريق الجوانب الرئيسية، وتهدف هذه العوامل إلى كسر رابطة النيتروجين الثلاثية القوية على نحو أكثر كفاءة، وغالبا ما عن طريق تثبيت وسائل التفاعل الوسيطة أو عن طريق استخدام مسارات الرد البديلة.

النيتريات المميتة الانتقالية والكاربيدات

وقد درست منذ فترة طويلة النمط المعدني الانتقالي والسيارات، ولا سيما النمليدينوم والتنغستن والفاناديوم، كعوامل محفزة محتملة لتوليف الأمونيا، وكثيرا ما يعزى نشاطها إلى مزيج من التأثيرات الإلكترونية والجيومية: فالذرات الأمتروجينية المتقاطعة التي تُعدل الهيكل الإلكتروني للمعادن، مما يجعلها أكثر ملاءمة لاستيعاب النيتروجين والضغط على الرواسب().

وقد نتجت التحسينات الأخيرة عن مراقبة المورفولوجيا والانهاء السطحي لهذه المراحل، فعلى سبيل المثال، فإن الـموسيق M2N الذي يحتوي على مساحات سطحية عالية يُظهر نشاطا معززا بسبب زيادة كثافة المواقع النشطة، وبالمثل، فإن مركبي النتاتوبات الوبائية المحتوية على أحجام محفزة، حيث توفر الجسيمات الكوبالتية مواقع لتفعيل الهيدروجين بينما تعمل مصانع البحوث في الدانمرك.

المحفزات الوحيدة الذرة

وتمثل العوامل المحفزة للذخيرة الواحدة تحولاً في النموذج في التحلي بالثديث المتجانس، إذ تفرق ذرات الفلزات الفردية في الدعم، تحقق SACs أقصى استخدام للذرة - وكثيراً ما يكون 100 في المائة من ذرات المعادن متاحاً كمواقع نشطة، أما بالنسبة للتركيب الأمونيا، فإن التلقيم المحتوي على الحديد أو الكوبالت أو الروتينيوم المثبت على درجة حرارة من النيتروجين.

وقد أظهرت دراسة تاريخية نشرت في العلوم في عام 2021 حفازاً من الطماطم الواحدة على دعم الفوسفيدي في المنغلوبينوم حقق معدلاً من تكوين الأمونيا قدره 25 ميكرومول غ - 1 ه - 1 عند 400 درجة مئوية وسجلاً مخفضاً في البراب، وقد عزّ أصحاب البلاغ الأداء إلى التآزر بين ذرة الحديد الوحيدة والسطح الداعم، وهو ما ساعد على تفعيل مستويات التوحيد القياسي والمتوسط.

كما استرعى الانتباه إلى عوامل حفز أحادية الطم، وأفاد فريق من جامعة العلم والتكنولوجيا في الصين بأن الكوبالت SACs على نانوفبير الكربون المزود بالنيتروجين ينتج الأمونيا بمعدلات مماثلة لبعض أفضل المحفزات القائمة على الروتينيوم، ولكن بجزء من التكلفة، والعقبة الرئيسية التي تعترض الميزة المميزة للخصوم هي الاستقرار: في ظل الظروف المتدهورة ودرجات التوليبية المتصاعدة.

Electrocatalysts for Green Ammonia

وربما كانت أكثر رؤية تحولية لإنتاج الأمونيا الفعالة من حيث التكلفة هي الطريق الكهروكيميائي، وبدلا من استخدام الطاقة الحرارية لحمل رد الفعل، يستخدم المحللون الكهرومغناطيسيون الطاقة الكهربائية لخفض النيتروجين (من الهواء أو منقرض النيتروجين) والمياه (تركيب غاز الهيدروجين) مباشرة للأمونيا في درجة الحرارة المحيطة والضغط، وهذا النهج يزيل الحاجة إلى خطى إنتاجية هيدروجينية منفصلة ويمكن أن تكون كذلك.

وقد استنتج الباحثون خلال العقد الماضي أن مئات المواد الكهروكيميائية، بما في ذلك المعادن النبيلة (Au, Ru, Pd) والنترات المعدنية المارة (Mo2N, VN) والأطر المحفزة للارتفاع بالكمية المعدنية، إلا أن هذا المجال قد تضرر من جراء انخفاض معدلات القدرة على إحداث الاحترار الحراري في المائة (الاستجابة التراكمية)

وقد برزت مؤخراً تركيب الأمونيا الوسيطة لليثيوم كبديل واعد، وفي هذه العملية، يُحل الملح الليثيومي في خلايا الكهروليت غير المقومة، ويُحدث فولت مطبقاً لتشكيل نيتريد الليثيوم، الذي يُرفع من درجة الحرارة إلى الأمونيا، وقد حقق هذا النهج مستويات من الكفاءة الخفية تفوق 60 في المائة، كما أن معدلات الإنتاج تزيد عن الحدة.

نُهج أخرى لكشف العوامل

وفيما عدا الفئات الثلاث أعلاه، تستحق عدة استراتيجيات مبتكرة أخرى الإشارة إليها، ويمكن للمحللين الحيويين، ولا سيما إنزيمات النيتروجين، أن يصلحوا النيتروجين في درجة حرارة الغرفة والضغط بكفاءة ملحوظة، وفي حين أن النتروجينات الطبيعية شديدة الحساسية والأبطأ من حيث الاستخدام الصناعي، فإن هذه الديناميات الاصطناعية - مثل مجموعات الحديد - المقلدة التي تجمع هيكلياً بين الموقع النشط الذي يجري تطويره.

ويستخدم تركيب الأمونيا الفوتوكاتية الصبغية الخفيفة الموصلات شبه الموصلات (مثل ثاني أكسيد التتانيوم، أو أكسيد البث، أو نترات الكربون) لتوليد أزواج للكولونات الكهربائية التي تدفع إلى خفض النيتروجين، وعلى الرغم من أن الأنشطة الحالية منخفضة للغاية (الأشعة الميكانيكية في الساعة لكل غرام من الكم الحفاز)، فإن البلاستيكي يقدم الرؤية النهائية لإنتاج الأشعة الواعدة من الهواء مباشرة.

التغلب على التحديات: الاستقرار، والقدرة على التصعيد، والتكامل

وعلى الرغم من ثراء المواد الواعدة، فإن ترجمات المختبرات إلى عوامل حفازة قابلة للاستمرار صناعياً محفوفة بالعقبات، والتحدي الرئيسي هو الاستقرار، والكثير من أكثر المحفزات نشاطاً - ولا سيما مواقع الطماطم الواحدة، ودرجة حرارة الغاز المعدني في ظل ظروف قاسية من التشغيل المستمر، ونادرا ما يمكن أن تخفض عوامل الحفز على استخدام المعادن الأم، وتفقد النشاط.

إن القدرة على التصعيد هي حاجز رئيسي آخر، وكثيرا ما تنطوي أفضل التركيبات الحفازة على أساليب توليفية متقنة: رسم طبقات الذرّة، أو تقنيات الجيل الصخري، أو الصبغ الكهربائي، وهذه العمليات يصعب قياسها إلى الكميات اللازمة من كل يوم لمفاعل صناعي، وعلاوة على ذلك، يجب أن يُشكل الحافز في شكل جزي أو أحادي مهيكلة بما يكفي من قوة ميكانيكية وانخفاض ضغط.

كما أن التكامل مع الأطر الصناعية القائمة غير قابل للانتقال، وقد لا يكون هناك عامل حفاز جديد يعمل على النحو الأمثل في 50 حانة و 350 درجة مئوية بديلا عن محفز الحديد الحالي الذي يعمل في 200 حانة و 450 درجة مئوية. وقد يلزم إعادة تصميم المفاعلات وشبكة تبادل الحرارة ونظام الضغط، مما يزيد تعقيد التكامل من العوائق التي تحول دون التبني، حتى بالنسبة لشركات محفزة عالية المخاطر، هي شركات محفزة حيوية.

وأخيراً، فإن اقتصاديات إنتاج الأمونيا حساسة للغاية بالنسبة لأسعار الغاز الطبيعي، إذ يجب ألا يؤدي الحفاز الجديد أداء أفضل فحسب بل أيضاً أن يكون منافساً من حيث التكلفة على أساس سعر النفقة الواحدة تلو الأخرى، فعلى سبيل المثال، فإن عوامل التحفيز القائمة على أساس التوليد هي أكثر نشاطاً من الحديد ولكنها باهظة الثمن بأسعار المعادن الحالية، وفي حين أن هناك خيارات غير مكتملة، فإن نشاطها لا يزال منخفضاً جداً بالنسبة لظراً في تقييمات رأس المال.

التوقعات المستقبلية والخاتمة

إن سباق تطوير عوامل حفازة فعالة من حيث التكلفة لإنتاج الأمونيا على نطاق واسع أكثر إلحاحا من أي وقت مضى، حيث يتوقع أن يزيد الطلب العالمي على الأمونيا بنسبة 50 في المائة بحلول عام 2050، ومع تزايد الالتزامات المتعلقة بانبعاثات صافية، لا يمكن أن تظل عملية هابر - بوش دون تغيير، والأخبار الجيدة هي أن مجموعة متنوعة من الأدوات من المواد الناشئة - خطوات المعادن التحويلية، والمحفزات الأحادية الطفرة، وانخفاض تكاليف استهلاك الطاقة.

وفي الأجل القريب )٥-١٠ سنوات(، من المرجح أن تأتي التحسينات العملية من تحقيق الحد الأمثل من العوامل المحفزة القائمة على الحديد مع المجارير والهياكل النانوية، أو من إضافة جزء صغير من مروج للرومونات لتعزيز النشاط في درجات حرارة أقل.

غير أنه لن يتحقق أي من هذه التطورات دون الاستثمار المستمر في الفهم الأساسي - ولا سيما استخدام الأوبراندو المطياف، والنظرية الوظيفية للكثافة، والتعلم الآلي لتوجيه التصميم الحفاز، والمبادرات الدولية مثل رابطة الطاقة في أمونيا وبرنامج الانتقال في الطاقة النظيفة التابع للوكالة الدولية للطاقة النظيفة تعزز التعاون بين المختبرات والصناعة، ويقدم تقرير الوكالة الدولية للطاقة بشأن الأمونيا سياقا آخر لدور الابتكار في التحول في الطاقة النظيفة.

وفي الختام، فإن تطوير عوامل حفز فعالة من حيث التكلفة لتوليف الأمونيا ليس مجرد تحد تقني بل ضرورة اجتماعية، بل إنه يؤثر على الأمن الغذائي، وتخزين الطاقة، وتغير المناخ، ومن خلال وضع استراتيجية بحثية متعددة الجوانب - من محفزات محسنة لل الحديد إلى عمليات الكهروكالية الجديدة الجذرية - يمكن للدوائر العلمية أن تحقق الإنجازات اللازمة لجعل إنتاج الأمونيا أمرا اقتصاديا ومستداما على حد سواء من خلال الرحلة المقبلة.