باحثو غريفيث وكوينزلاند يُحوّلون غازات النفايات إلى يوريا نظيفة بالتعلم الآلي بعد فحص 1458 محفزاً

حوّل باحثون من جامعة غريفيث وجامعة كوينزلاند للتكنولوجيا في أستراليا ما كان يستغرق سنوات من التجارب إلى أسابيع حسابية، إذ وظّفوا التعلم الآلي لفحص أكثر من 1,400 تصميم محفز كيميائي في البحث عن محفز قادر على تحويل غازات النفايات الصناعية — أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين — إلى يوريا نظيفة بالكهرباء بدلاً من الوقود الأحفوري، ونُشرت النتائج في مجلة ACS Nano.

لماذا إنتاج اليوريا مشكلة بيئية كبرى؟

اليوريا من أكثر المواد الكيميائية أهمية في العالم خاصةً للأسمدة، لكن إنتاجها مكثف الطاقة ويعتمد اعتماداً كبيراً على الوقود الأحفوري. فعملية هابر-بوش التقليدية المستخدمة في إنتاج الأمونيا — المادة الأولية لليوريا — تستهلك وحدها قرابة 2% من استهلاك الطاقة العالمي، فيما يدعم هذا الإنتاج تغذية ما يقرب من 27% من سكان العالم حسب التقديرات.

التحدي الأساسي: الانتقائية

التحدي يكمن في أن تفاعل CO وNO على سطح المحفز لا يُفضي في الغالب إلى تكوين اليوريا، بل يميل إلى إنتاج مواد ثانوية غير مرغوبة كالأمونيا أو الهيدروكربونات، مما يجعل إنتاج اليوريا بشكل انتقائي أمراً بالغ الصعوبة.

لفهم التحدي أعمق: اليوريا تتطلب تكوين رابطة كربون-نيتروجين بين جزيئات CO وNO، وهو مسار كيميائي دقيق يتنافس مع عشرات المسارات البديلة التي تُنتج مواد أخرى.

المنهج: ثلاث طبقات من الدقة

جمع الفريق محاكاة الكيمياء الكمية مع التعلم الآلي للكشف عن تصاميم محفزات أفضل تُشجّع CO وNO على الاتحاد وتكوين رابطة كربون-نيتروجين بدلاً من التفاعلات الجانبية غير المرغوبة، وفحص 90 تصميماً لمحفزات بمحاكاة دقيقة تستند إلى نظرية الدالة الكثافة، ثم استخدم التعلم الآلي لفحص أكثر من 1,400 مرشح إضافي بسرعة.

الاكتشاف المفصلي: "طاقة الامتزاز المشترك"

حدّد الفريق رقماً واحداً يُسمى "طاقة الامتزاز المشترك" يُنبئ بموثوقية عالية بما إذا كان المحفز سيُنتج اليوريا أم الأمونيا أم الهيدروكربونات، وأثبت وجود نافذة حرارية ديناميكية ضيقة تتراوح بين -3.57 و-3.08 إلكترون فولت تُفضي إلى مسار تكوين اليوريا المطلوب.

قال الدكتور يون هان أحد المؤلفين المشاركين: "وجدنا نقطة مثلى ضيقة جداً لهذه الطاقة — إذا ارتبط CO وNO بالمحفز بقوة ضعيفة جداً انفصلا عن السطح، وإذا ارتبطا بقوة شديدة جداً تحوّلا إلى منتجات ثانوية غير مرغوبة، والترابط المعتدل فقط هو الذي يُفضي إلى تكوين اليوريا."

التعلم الآلي: من 1458 محفزاً إلى 259 واعداً

طوّر الفريق نموذج تعلم آلي يستند إلى خصائص ذرية بسيطة من الجدول الدوري ومعلومات هيكلية حول حواف الكربون، وأتاح هذا النموذج تضييق نطاق البحث من 1,458 محفزاً محتملاً إلى 259 مرشحاً واعداً، مع إخضاع أفضل القليل منها فحسب للتحقق الحسابي الدقيق.

وقال البروفيسور أيجون دو من جامعة كوينزلاند للتكنولوجيا: "يُسرّع هذا النهج بشكل جذري عملية اكتشاف المحفزات — بدلاً من الاعتماد على التجارب والأخطاء المكلفة والمستهلكة للوقت، بتنا قادرين على تصميم محفزات تُحوّل غازات النفايات إلى أسمدة بكفاءة عالية وبصورة منهجية."

المحفزان الأبرز أداءً

حدّد البحث محفزَين متفوقَين هما Zr_Pd@A وZn_Pd@Z، إذ يستفيد كلاهما من كثافة إلكترونية عالية للباليديوم قرب مستوى فيرمي لتنشيط أكاسيد النيتروجين، فيما تقاوم مدارات d الفارغة أو الممتلئة كلياً للزيركونيوم أو الزنك امتزاز أول أكسيد الكربون بقوة مفرطة مما يمنع اختزاله العميق إلى منتجات ثانوية.

ما هو الأثر الحقيقي على صناعة الأسمدة؟

يبلغ حجم سوق اليوريا العالمي أكثر من 170 مليار دولار سنوياً، وتصل الكميات المُنتجة إلى نحو 230 مليون طن سنوياً. التحول من الإنتاج بالوقود الأحفوري إلى الإنتاج الكهرحيوي يُتيح نظرياً إنتاج يوريا نظيفة من الكهرباء المتجددة وغازات الصناعات الملوّثة ضارباً بذلك عصفورَين بحجر واحد: إزالة الكربون من الصناعة، ووقف إطلاق ملوثات CO وNO في الغلاف الجوي.

مخطط قابل للتكرار

يُوفّر هذا البحث قاعدة تصميم واضحة لصنع محفزات اليوريا، ويُقدّم مخططاً قابلاً لإعادة الاستخدام لتصميم محفزات التفاعلات الكيميائية الخضراء الأخرى، للاطلاع على اكتشافات علمية مشابهة راجع تغطيتنا لـ اكتشاف في مختبر ياباني يُنتج الهيدروجين من الكحول بالحديد والضوء.

المصدر: Machine learning unlocks greener pathway to urea production