اكتشف العلماء مسارًا مخفيًا للهيدروجين يمكنه تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود ثمين

سطح محفز نحاسي يصور هدرجة ثاني أكسيد الكربون إلى ميثانول. الائتمان: Shivam Chaturvedic اكتشف العلماء مسارًا غير متوقع لنقل الهيدروجين أثناء التحويل الحفزي لثاني أكسيد الكربون. وقد أنتج نموذج كمبيوتر مصمم للتنبؤ بكيفية تحول ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية مفيدة خطأً مفاجئًا: فقد حدد حمض الفورميك باعتباره المنتج الرئيسي بدلاً من الميثانول. عندما قام العلماء بتوسيع النموذج ليأخذ في الاعتبار الآلاف من التفاعلات التي تم تجاهلها سابقًا، تغيرت تنبؤاته بشكل كبير وأصبحت أكثر توافقًا مع النتائج التجريبية. وقد طور الباحثون في المعهد الهندي للعلوم (IISc) إطارًا حسابيًا يرسم خرائط لـ 9389 تفاعلًا كيميائيًا مشتركًا في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود ومواد كيميائية باستخدام محفز النحاس. وبالمقارنة مع نموذج أصغر يحتوي على 152 تفاعلًا فقط، تنبأت الشبكة الموسعة بتحويل ثاني أكسيد الكربون بنسبة 40 مرة تقريبًا وحددت بشكل صحيح الميثانول وأول أكسيد الكربون كمنتجات رئيسية. تم نشر البحث في Nature Communications. لماذا تفوت النماذج التقليدية التفاعلات المهمة؟ تستخدم هدرجة ثاني أكسيد الكربون الهيدروجين ومحفزًا لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد مثل الميثانول، وهي مادة كيميائية تستخدم في الوقود والتصنيع الصناعي. تتضمن هذه التحولات العديد من المركبات الوسيطة وتفاعلات متنافسة على سطح المحفز. إن نمذجة كل خطوة ممكنة باستخدام ميكانيكا الكم تتطلب موارد حاسوبية هائلة، لذلك يركز الباحثون عادة على مجموعة محدودة من التفاعلات. “لقد بدأنا بقلق مألوف لدى أي شخص يقوم بالنمذجة الميكانيكية: كيف تعرف أن شبكة التفاعل الخاصة بك لم تحذف الخطوة الوحيدة المهمة؟” يقول المؤلف الأول أناند موهان فيرما، الذي أجرى البحث كزميل ما بعد الدكتوراه في CV Raman في IISc وهو الآن أستاذ مساعد في معهد موتيلال نهرو الوطني للتكنولوجيا الله أباد (MNNIT Allahabad). وللتحقق من الكيمياء المفقودة، استخدم الفريق أولاً عمليات المحاكاة الميكانيكية الكمومية لبناء قاعدة بيانات تم التحقق منها بعناية تضم 152 تفاعلًا. ثم قاموا بتدريب نماذج التعلم الآلي لتقدير حواجز طاقة التنشيط، والتي تحدد مدى سهولة استمرار التفاعلات الكيميائية. حددت الأدوات الآلية التفاعلات المحتملة التي تشمل 105 أنواع كيميائية على سطح المحفز وحددت التحولات التي يمكن أن تحدث في خطوة واحدة، مما أدى إلى توسيع الشبكة إلى 9389 تفاعلًا أوليًا. يوضح المؤلف المقابل أنانث جوفيند راجان، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكيميائية في المعهد الدولي للعلوم، أن التفاعلات الإضافية التي تم التغاضي عنها سابقًا تتوافق مع ما نراه نحن والآخرون تجريبيًا. وقد قام الباحثون بدمج شبكة التفاعل الموسعة في نموذج حركي لحساب كيفية تصرف النظام الكيميائي. تم إجراء التحقق التجريبي من قبل جي فالافاراسو وسانثوش كوتني في مركز البحث والتطوير الأخضر التابع لشركة هندوستان بتروليوم المحدودة، إلى جانب أمول أمروت وزملائهم في وكالة العلوم والتكنولوجيا والأبحاث في سنغافورة. ساهم أمبيدكار دوكيباتي، الأستاذ في قسم علوم الكمبيوتر والأتمتة في المعهد الدولي للعلوم، في نماذج التعلم الآلي. مسار غير متوقع للهيدروجين كشفت شبكة التفاعل الأكبر أيضًا عن آلية يمكن أن تفوتها النماذج التقليدية. في العديد من التفاعلات الهامة، يمكن نقل الهيدروجين إلى مركبات وسيطة مباشرة من H2 الجزيئي، وليس حصرا من خلال ذرات الهيدروجين المنفصلة. وأكدت حسابات ميكانيكا الكم الإضافية أن هذا المسار يمكن أن يكون مناسبًا بشكل خاص عندما يتم نقل الهيدروجين إلى وسائط تحتوي على الأكسجين. يقول المؤلف المشارك شيفام شاتورفيدي، وهو طالب دكتوراه في قسم الهندسة الكيميائية في المعهد الدولي للعلوم: “إن فكرة أن الهيدروجين يمكن أن ينتقل كجزيء سليم، دون أن ينقسم أولاً إلى ذرات، تتعارض مع ما تعلمه معظمنا”. “لقد ظهر هذا فقط لأن الشبكة كانت كبيرة بما يكفي للسماح بذلك، وصمدت الملاحظة عندما عدنا “حسب هذه الخطوات بشكل واضح، يشير هذا أيضًا إلى أن المحفزات التي تتفاعل بقوة أكبر مع الهيدروجين يمكن أن تعزز المسارات المؤدية إلى الميثانول.” وتشير النتائج إلى استراتيجيات محتملة لتحسين تصميم المحفز، على الرغم من أن الفوائد المقترحة لتفاعلات الهيدروجين الأقوى لا تزال تتطلب مزيدًا من البحث. يقترح الباحثون أيضًا أن إطار عملهم، الذي يجمع بين ميكانيكا الكم، والتعلم الآلي، ورسم خرائط التفاعل الآلي، والنمذجة الحركية، يمكن تكييفه مع عمليات أخرى مهمة صناعيًا، بما في ذلك تقليل ثاني أكسيد الكربون باستخدام محفزات مختلفة، وتقليل النيتروجين، وتقسيم الماء. المرجع: “تكشف شبكات التفاعل الضخمة المبنية على البيانات عن المسارات الميكانيكية الكامنة وراء الهدرجة الحفزية لثاني أكسيد الكربون” بقلم أناند إم فيرما، وشيفام شاتورفيدي، وسواستيك بول، وسرينيباس. ناندي، راهول شيشانارايانا، كوتني سانثوش، ج. فالافاراسو، أمبيدكار دوكيباتي، تشوانداياني جوناوان جوي، باي ينج مو، تشون تشي جوي نج، أمول أمروت وأنانث جوفيند راجان، 17 سبتمبر 2026، Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-026-77080-4لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily. Google وأخبار Google.