כיצד פועלים מנועי הדיזל החדשים כך שהם פולטים פחות גזי חממה?

הממירים הקטליטיים החדשים הפועלים במנועי דיזל מעיפים לכל הרוחות את חומרי הזיהום מתא השריפה והופכים אותם לחומרים לא מזיקים בסיועה של תרכובת אמוניה

הממירים הקטליטיים החדשים הפועלים במנועי דיזל מעיפים לכל הרוחות את חומרי הזיהום מתא השריפה בסיועה של התרכובת אמוניה. כדבר שהוא כבר בשגרה במכוניות אירופאיות – המנועים פולטים גז חנקן ומים, שהם חומרים בלתי מסוכנים. עדיין לא ברור לחלוטין כיצד הם עושים זאת. כעת, מחקר חדש מראה כי הזרז תוקף את המזהם באופן בלתי רגיל, ממצא שיוכל לשמש לפיתוח ממירים קטליטיים משופרים.

צוות של חוקרים מהמכון לזרזים במעבדה הלאומית של משרד האנרגיה הראו במחקר חדש, שפורסם בכתב-העת המדעי the journal Angewandte Chemie International Edition, כי זרז מלאכותי פועל באופן דומה לאנזימים הנמצאים בחיידקים: הם מתקרבים למטרה מהצד ולא מהחזית. “מה שנמצא מרתק היה דימיון המנגנון בין זרז מלאכותי זה לבין הזרז האנזימטי,” אמר החוקר הראשי. “הטבע מדריך אותנו כיצד לפעול”.

זאוליטים הם מינרלים אלומינו-סיליקאט גבישיים המסוגלים לארח בתוכם יוני מתכת – אטומי מתכת בעלי מטען חשמלי – לשם יישומים קטליטיים. בחלק מחומרים אלו יוני המתכת מצליחים לפרק את החומר המזהם חנקן חמצני הנמצא בגזי הפליטה של רכבים. יחד עם זאת, הזאוליטים נוטים להתפורר ולהתאגד לגושים בקלות, מה שמוביל לפעילות קצרת טווח בלבד. בנוסף, הם מייצרים בתור תוצר לוואי את גז החממה תחמוצת חנקן (החומר המוכר לציבור המטופלים במרפאות שיניים בתור גז הצחוק). לאחרונה, הצליחו חוקרים לפתח זאוליט חדשני שבאופן מפתיע הוא יציב ומסוגל לייצר כמות מועטה מאוד של תחמוצת חנקן, שהוא החומר הפוגע בשכבת האוזון, מחנקן חמצני. זאוליט זה מייצר בעיקר מים וחנקן אטמוספירי – המרכיב העיקרי של האוויר שאנו נושמים – אולם יש להגיבו עם אמוניה, שיכולה להגיע, למשל, משתנן (אוריאה). חלק מרכבי הדיזל באירופה עושים שימוש היום בזרז זה, ונדרשים למלא לא רק את מיכל הדלק, אלא גם את מיכל השתנן. הזאוליט החדש, לו ניתן הכינוי Cu-SSZ-13, משתמש בנחושת בתור תוסף המתכת והוא בעל חללים קטנים יותר מאשר הזאוליטים המקבילים לו.

החוקרים סברו כי זאוליט זה יפרק את תחמוצת החנקן באותו אופן שבו פועלים זאוליטים אחרים תוך ביצוע אותם שלבים של התגובה הכימית. אולם, משהו אחר חייב להתרחש מאחר והחוקרים הצליחו להאיץ את פעילותם של הזאוליטים הידועים בעזרת הוספת חנקן דו-חמצני – אך הזאוליט החדש לא הגיב באותו האופן. עובדה זו מעידה כי הזאוליט החדש פועל במסלול כימי אחר.

על מנת לבדוק כיצד הזאוליט החדש מצליח לבקע את תחמוצת החנקן, צוות החוקרים בחן את מבנה הזאוליט במהלך התרחשות התגובה. תוך שימוש בכלים מתקדמים שנועדו במיוחד למציאת תשובות לשאלות כאלו, החוקרים ניסו להבין בשלב הראשון אילו מולקולות מתחברות לזאוליט.

בעקבות זאת, הם הצליחו למצוא באופן בלתי צפוי מולקולה טעונה של תחמוצת חנקן הקשורה ליוני הנחושת. מערך מולקולארי זה ייתכן רק באחת משתי דרכים, כאשר הנפוצה יותר משתיהן מחייבת את נוכחותה של התרכובת חנקן דו-חמצני. מאחר והחוקרים לא גילו את המולקולה הזו, הם פסלו את האפשרות הנ”ל.

ממצא זה הותיר את האפשרות השנייה שבה מתכת הנחושת עצמה חוברת ישירות לתחמוצת החנקן. בתהליך זה, אטומי הנחושת “לווים” את אחד מהאלקטרונים של תחמוצת החנקן ובכך הופכים אותו ליון חיובי. בשלב הבא, מולקולת האמוניה מגיבה עם צורון טעון זה ובסופו של רצף תגובות נפלטים לאטמוספירה חנקן מולקולארי ומולקולת מים.

התמקדות פנימה במבנה הזאוליט ובנית המודל שלו בעזרת תוכנת מחשב אפשרה לחוקרים לגלות ממצא יוצא-דופן – ברוב זרזי הזאוליטים המבנה של תחמוצת החנקן הוא כשל משקולת קטנה שבקצה האחד שלה נמצא אטום חנקן ובקצה השני אטום חמצן. משקולת זו נקשרת לאטום המתכת דרך אחד מקצותיה אלו, לרוב דרך אטום החנקן. אולם, בזאוליט החדש מתכת הנחושת נקשרת הן לאטום החנקן והן לאטום החמצן בו-זמנית, כאילו ששלושת המרכיבים מרכיבים יחדיו טבעת משולשת.

“מבנה זה אינו נפוץ בסוג כזה של זרזים סינתטיים,” מסביר החוקר הראשי. “אולם, לחיידקים יש אנזים (nitrite reductase) הפועל בדיוק במבנה כזה והוא האנזים המפרק ניטריטים לחנקן אטמוספירי.” החוקרים גילו גם כי מבנה משולש זה גורם לזווית של ה”משקולת” להתכופף קמעה. ללא כיפוף זה, הזווית שבין אטום החנקן לבין אטום החמצן היא בדיוק 180 מעלות; אולם בזאוליט הזווית מתקצרת לכ-146 מעלות בלבד. ההדמיה הממוחשבת של הזאוליט הראתה כי הנישה המצויה בין אטומי האלומיניום לבין אטומי הסיליקון שבסריג יכולה להספיק למולקולה אחת בלבד של תחמוצת חנקן. לזאוליטים אחרים, בהשוואה, הנישה מספיק גדולה בכדי להתאים לשתי מולקולות. “גודל הנישה הזעירה מתאים בדיוק למגיבים ומאפשר בקרה מדויקת של התגובה,” מסביר החוקר הראשי. “מנגנון פעילות זה מסביר את הממצאים הקודמים שלנו – כמו מדוע לא קיבלנו תחמוצת חנקן.”

הידיעה על המחקר