تفاعل اختزال الأكسجين

في الكيمياء ، يُشير تفاعل اختزال الأكسجين إلى نصف تفاعل الاختزال الذي يتم فيه اختزال الأكسجين (O₂ _{) إلى ماء أو بيروكسيد الهيدروجين. في خلايا الوقود، يُفضّل الاختزال إلى الماء نظرًا لارتفاع التيار الناتج. يُعدّ تفاعل اختزال الأكسجين تفاعلًا مُثبتًا جيدًا وفعّالًا للغاية.}^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

القياس الكمي

يتم عرض القياسات الكمية لتفاعل اختزال الأكسجين، والتي تعتمد على الوسط: ^{[ 3 ]}

مسار 4e ⁻ في الوسط الحمضي: ${\ce {O2 + 4 e- + 4H+ -> 2 H2O}}$

مسار 2e ⁻ في الوسط الحمضي: ${\ce {O2 + 2e- + 2H+ -> H2O2}}$

مسار 4e ⁻ في الوسط القلوي: ${\ce {O2 + 4e- + 2H2O -> 4 OH-}}$

مسار 2e ⁻ في الوسط القلوي: ${\ce {O2 + 2e- + H2O -> HO2- + OH-}}$

مسار 4 إلكترونات في الأكسيد الصلب: ${\ce {O2 + 4e- -> 2 O^2-}}$

يُعد تفاعل المسار الرباعي الإلكترونات (4e− ⁾ تفاعل الكاثود في خلايا الوقود ، وخاصةً في خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات ، وخلايا الوقود القلوية، وخلايا الوقود ذات الأكسيد الصلب . أما تفاعل المسار الثنائي الإلكترونات (2e− ⁾ فهو غالبًا تفاعل جانبي لتفاعل المسار الرباعي الإلكترونات، أو يُمكن استخدامه في تخليق بيروكسيد الهيدروجين ( _H₂O₂₎ .

المحفزات

المحفزات الحيوية

يُعد تفاعل اختزال الأكسجين تفاعلاً أساسياً للكائنات الهوائية. تستمد هذه الكائنات طاقتها من حرارة احتراق الوقود (الغذاء) بواسطة الأكسجين (O₂) _. وبدلاً من الاحتراق، تعتمد الكائنات الحية على سلاسل معقدة من تفاعلات نقل الإلكترون، والتي غالباً ما تقترن بنقل البروتون. يمنع تفاعل اختزال الأكسجين التفاعل المباشر للأكسجين مع الوقود، حيث ينتج عنه الماء _{والأدينوسين}ثلاثي الفوسفات . يؤثر إنزيم سيتوكروم سي أوكسيداز على تفاعل اختزال الأكسجين عن طريق ربط الأكسجين _في مُركب هيم - نحاس . في إنزيم اللاكاز ، يرتبط الأكسجين _{ويُختزل} بواسطة مُركب رباعي النحاس. ترتبط ثلاثة مراكز نحاس بالأكسجين _، بينما يعمل مركز نحاس رابع كمانح للإلكترونات. ^{[ 1 ]}

المحفزات غير المتجانسة

يُعد البلاتين أكثر المحفزات شيوعاً في خلايا الوقود . ونظراً لارتفاع سعره، يُوزّع على دعامة كربونية. وتتميز بعض جوانب البلاتين بنشاطها الأكبر من غيرها. ^{[ 2 ]}

مجمعات التنسيق

تُقدم دراساتٌ مُفصّلة حول آليات تفاعل الأكسجين مع المعادن الانتقالية نماذجَ للتفاعل الأولي بين الأكسجين (O₂ ₎ والمحفز المعدني. اعتمدت المحفزات الأولى لتفاعل اختزال الأكسجين على فثالوسيانينات الكوبالت . ^[⁴^] وقد تم اختبار العديد من مُركّبات التنسيق ذات الصلة. ^[⁵^] كمحفزات لتفاعل اختزال الأكسجين، وحققت هذه الجزيئات الصغيرة أداءً مُختلفًا في التحفيز الكهربائي. تُحفّز هذه النتائج المُثيرة المزيد من الأبحاث حول الجزيئات الصغيرة التي تحتوي على معادن غير نبيلة والمستخدمة كمحفزات كهربائية لتفاعل اختزال الأكسجين . ^[⁶^] إلى جانب الفثالوسيانين، يُعد البورفيرين أيضًا ربيطةً مُناسبةً للمركز المعدني لتوفير جزء N₄ _في موقع MN₄ _. في الأنظمة الحيوية، تُنفّذ العديد من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية المُتعلقة بالأكسجين بواسطة بروتينات تحتوي على وحدة البورفيرين المعدني، مثل توصيل الأكسجين، _{وتخزينه ،}_{واختزاله} ، وأكسدة بيروكسيد _{الهيدروجين} ( _H₂O₂₎ .

التطورات والتعديلات الحديثة

بما أن تفاعل اختزال الأكسجين في خلايا الوقود يتطلب تحفيزًا غير متجانس، فإن استخدام ركائز موصلة، مثل المواد الكربونية، ضروري دائمًا في بناء المحفزات الكهربائية. ولزيادة الموصلية وتعزيز تفاعل تحميل الركيزة، تُجرى عادةً معالجة حرارية قبل الاستخدام. خلال هذه المعالجة، تتجمع المواقع النشطة M-N4 تلقائيًا نظرًا لطاقتها الذاتية العالية، مما يُقلل بشكل كبير من كثافة المواقع النشطة. لذلك، تُعد زيادة كثافة المواقع النشطة وإنشاء محفز مُشتت على المستوى الذري خطوة أساسية لتحسين نشاط المحفز. لحل هذه المشكلة، يمكننا استخدام ركائز مسامية لحصر المواقع النشطة، أو استخدام بعض العيوب أو الروابط لمنع هجرة المواقع النشطة. في الوقت نفسه، يُفيد التركيب المسامي أو وجود العيوب في عملية امتصاص الأكسجين. ^{[ 7 ]}

إلى جانب كثافة المواقع النشطة، يلعب التوزيع الإلكتروني لمركز M في الموقع النشط MN4 _دورًا هامًا في نشاط واستقرار محفز تفاعل اختزال الأكسجين. إذ يؤثر التوزيع الإلكتروني لمركز M على جهد الأكسدة والاختزال ، الذي يحدد طاقة تنشيط تفاعل اختزال الأكسجين. ولتعديل التوزيع الإلكتروني، تتمثل إحدى الطرق البسيطة في تغيير الروابط المحيطة بالمركز المعدني. على سبيل المثال، وجد الباحثون أن كون ذرات النيتروجين في المواقع النشطة M-N4 بيرولية أو بيريدينية يؤثر على أداء المحفز. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} علاوة على ذلك، يمكن استخدام بعض الذرات غير المتجانسة، مثل الكبريت والفوسفور، لتعديل التوزيع الإلكتروني أيضًا، نظرًا لاختلاف السالبية الكهربية والتوزيع الإلكتروني لهذه الذرات. ^{[ 10 ]}

مراجع

1 2 جيويرث، أندرو أ.؛ فارنيل، جيسون أ.؛ دياسكرو، أنجيلا م. (2018). "محفزات المعادن غير النفيسة لاختزال الأكسجين في الأنظمة المائية غير المتجانسة". مراجعات كيميائية . 118 (5): 2313-2339 . doi : 10.1021/acs.chemrev.7b00335 . PMID 29384375 .
1 2 شاو، مينهوا؛ تشانغ، تشياوان؛ دوديليه، جان بول؛ تشينيتز، ريجيس (2016). "التطورات الحديثة في المحفزات الكهربائية لتفاعل اختزال الأكسجين" (ملف PDF) . مراجعات كيميائية . 116 (6): 3594-3657 . doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00462 . PMID 26886420 .
↑ جي، شياومينغ؛ سومبوجا، أفريانتي؛ وو، ديلفين؛ آن، تاو؛ لي، بينغ؛ جوه، إف دبليو توماس؛ هور، تي إس أندي؛ زونغ، يون؛ ليو، تشاولين (2015-08-07). "اختزال الأكسجين في الأوساط القلوية: من الآليات إلى أحدث التطورات في مجال المحفزات". مجلة ACS Catalysis . 5 (8): 4643–4667 . doi : 10.1021/acscatal.5b00524 .
↑ جاسينسكي، ريموند (1965-05-01). "فثالوسيانين الكوبالت ككاثود لخلايا الوقود" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 112 (5): 526. Bibcode : 1965JElS..112..526J . doi : 10.1149/1.2423590 . ISSN 1945-7111 .
^ جانكي ، هورست. شونبورن، مانفريد. زيمرمان، جورج (1976). شيفر، فب؛ جريشر، ه.؛ ويليج، F.؛ ماير، ه.؛ جانكي، ه.؛ شونبورن، م.؛ زيمرمان، ج. (محرران). "الأصباغ العضوية كمحفزات لخلايا الوقود" . التطبيقات الفيزيائية والكيميائية للأصباغ . موضوعات في الكيمياء الحالية. 61 . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر: 133– 181. دوى : 10.1007 / BFb0046059 . رقم ISBN 978-3-540-38098-6PMID 7032
↑ مارتينيز، أوليسيس؛ بابو، سيدهارث كوميني؛ هولبي، إدوارد ف.؛ تشونغ، هون ت.؛ ين، شي؛ زيلناي، بيوتر (2019). "التقدم في تطوير المحفزات الكهربائية الخالية من معادن مجموعة البلاتين القائمة على الحديد لتفاعل اختزال الأكسجين" . المواد المتقدمة . 31 (31) 1806545. Bibcode : 2019AdM....3106545M . doi : 10.1002/adma.201806545 . ISSN 1521-4095 . PMID 30790368 .
↑ ين، هينغبو؛ شيا، هويكونغ؛ تشاو، شويان؛ لي، كيكسي؛ تشانغ، جيانان؛ مو، شيتشون (2021). "محفز معدني-نيتروجيني-كربوني مُشتت على المستوى الذري لتفاعل اختزال الأكسجين: استراتيجيات التخليق والتنظيم البيئي الكيميائي" . مواد الطاقة والبيئة . 4 (1): 5-18 . Bibcode : 2021EEMat...4....5Y . doi : 10.1002/eem2.12085 . ISSN 2575-0356 .
↑ مارشال-روث، ترافيس؛ ليبريتو، نيكول جيه؛ وروبل، ألكسندرا تي؛ أندرتون، كيفن جيه؛ بيجيس، مايكل إل؛ ريكي، ناثان دي؛ فوريس، تروي فان؛ ميلر، جيفري تي؛ سوريندراناث، يوغيش (19 أكتوبر 2020). "حلقة كبيرة من البيريدين Fe-N 4 تحاكي المواقع النشطة في المحفزات الكهربائية الكربونية المشوبة بالحديد/النيتروجين" . Nature Communications . 11 (1): 5283. Bibcode : 2020NatCo..11.5283M . doi : 10.1038/ s41467-020-18969-6 . ISSN 2041-1723 . PMC 7572418. PMID 33077736 .
^ تشانغ ، نان. تشو، تيانبي؛ تشن مينجلونج. فنغ، هو؛ يوان، رويلين؛ تشونغ، تشنغآن؛ يان، ون شنغ؛ تيان، يانغشاو؛ وو، شياو جون؛ تشو، وانغشنغ؛ وو ، تشانغتشنغ (2020/01/21). "مواقع FeN4 عالية النقاء من نوع البيرول كمحفز كهربائي متفوق لاختزال الأكسجين" . الطاقة وعلوم البيئة . 13 (1): 111– 118. بيب كود : 2020EnEnS..13..111Z . دوى : 10.1039/C9EE03027A . ردمك 1754-5706 . S2CID 210712326 .
^ هان ، يونهو. وانغ، يانغقانغ؛ شو، رويروي؛ تشن، ونشينج؛ تشنغ، ليرونغ؛ هان، ايجوان. تشو، يوكي؛ تشانغ، جيان. تشانغ، هوابين. لو، يونيو؛ تشين ، تشين (2018/09/12). "هندسة الهيكل الإلكتروني لتعزيز نشاط تخفيض الأكسجين من خلال التحكم في تنسيق المعدن المركزي" . الطاقة وعلوم البيئة . 11 (9): 2348– 2352. بيب كود : 2018EnEnS..11.2348H . دوى : 10.1039/C8EE01481G . ردمك 1754-5706 .

[AAG-1] 1 2 جيويرث، أندرو أ.؛ فارنيل، جيسون أ.؛ دياسكرو، أنجيلا م. (2018). "محفزات المعادن غير النفيسة لاختزال الأكسجين في الأنظمة المائية غير المتجانسة". مراجعات كيميائية . 118 (5): 2313-2339 . doi : 10.1021/acs.chemrev.7b00335 . PMID 29384375 .

[Dodelet-2] 1 2 شاو، مينهوا؛ تشانغ، تشياوان؛ دوديليه، جان بول؛ تشينيتز، ريجيس (2016). "التطورات الحديثة في المحفزات الكهربائية لتفاعل اختزال الأكسجين" (ملف PDF) . مراجعات كيميائية . 116 (6): 3594-3657 . doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00462 . PMID 26886420 .

[3] جي، شياومينغ؛ سومبوجا، أفريانتي؛ وو، ديلفين؛ آن، تاو؛ لي، بينغ؛ جوه، إف دبليو توماس؛ هور، تي إس أندي؛ زونغ، يون؛ ليو، تشاولين (2015-08-07). "اختزال الأكسجين في الأوساط القلوية: من الآليات إلى أحدث التطورات في مجال المحفزات". مجلة ACS Catalysis . 5 (8): 4643–4667 . doi : 10.1021/acscatal.5b00524 .

[4] جاسينسكي، ريموند (1965-05-01). "فثالوسيانين الكوبالت ككاثود لخلايا الوقود" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 112 (5): 526. Bibcode : 1965JElS..112..526J . doi : 10.1149/1.2423590 . ISSN 1945-7111 .

[5] جانكي ، هورست. شونبورن، مانفريد. زيمرمان، جورج (1976). شيفر، فب؛ جريشر، ه.؛ ويليج، F.؛ ماير، ه.؛ جانكي، ه.؛ شونبورن، م.؛ زيمرمان، ج. (محرران). "الأصباغ العضوية كمحفزات لخلايا الوقود" . التطبيقات الفيزيائية والكيميائية للأصباغ . موضوعات في الكيمياء الحالية. 61 . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر: 133– 181. دوى : 10.1007 / BFb0046059 . رقم ISBN 978-3-540-38098-6PMID 7032

[6] مارتينيز، أوليسيس؛ بابو، سيدهارث كوميني؛ هولبي، إدوارد ف.؛ تشونغ، هون ت.؛ ين، شي؛ زيلناي، بيوتر (2019). "التقدم في تطوير المحفزات الكهربائية الخالية من معادن مجموعة البلاتين القائمة على الحديد لتفاعل اختزال الأكسجين" . المواد المتقدمة . 31 (31) 1806545. Bibcode : 2019AdM....3106545M . doi : 10.1002/adma.201806545 . ISSN 1521-4095 . PMID 30790368 .

[7] ين، هينغبو؛ شيا، هويكونغ؛ تشاو، شويان؛ لي، كيكسي؛ تشانغ، جيانان؛ مو، شيتشون (2021). "محفز معدني-نيتروجيني-كربوني مُشتت على المستوى الذري لتفاعل اختزال الأكسجين: استراتيجيات التخليق والتنظيم البيئي الكيميائي" . مواد الطاقة والبيئة . 4 (1): 5-18 . Bibcode : 2021EEMat...4....5Y . doi : 10.1002/eem2.12085 . ISSN 2575-0356 .

[8] مارشال-روث، ترافيس؛ ليبريتو، نيكول جيه؛ وروبل، ألكسندرا تي؛ أندرتون، كيفن جيه؛ بيجيس، مايكل إل؛ ريكي، ناثان دي؛ فوريس، تروي فان؛ ميلر، جيفري تي؛ سوريندراناث، يوغيش (19 أكتوبر 2020). "حلقة كبيرة من البيريدين Fe-N 4 تحاكي المواقع النشطة في المحفزات الكهربائية الكربونية المشوبة بالحديد/النيتروجين" . Nature Communications . 11 (1): 5283. Bibcode : 2020NatCo..11.5283M . doi : 10.1038/ s41467-020-18969-6 . ISSN 2041-1723 . PMC 7572418. PMID 33077736 .

[9] تشانغ ، نان. تشو، تيانبي؛ تشن مينجلونج. فنغ، هو؛ يوان، رويلين؛ تشونغ، تشنغآن؛ يان، ون شنغ؛ تيان، يانغشاو؛ وو، شياو جون؛ تشو، وانغشنغ؛ وو ، تشانغتشنغ (2020/01/21). "مواقع FeN4 عالية النقاء من نوع البيرول كمحفز كهربائي متفوق لاختزال الأكسجين" . الطاقة وعلوم البيئة . 13 (1): 111– 118. بيب كود : 2020EnEnS..13..111Z . دوى : 10.1039/C9EE03027A . ردمك 1754-5706 . S2CID 210712326 .

[10] هان ، يونهو. وانغ، يانغقانغ؛ شو، رويروي؛ تشن، ونشينج؛ تشنغ، ليرونغ؛ هان، ايجوان. تشو، يوكي؛ تشانغ، جيان. تشانغ، هوابين. لو، يونيو؛ تشين ، تشين (2018/09/12). "هندسة الهيكل الإلكتروني لتعزيز نشاط تخفيض الأكسجين من خلال التحكم في تنسيق المعدن المركزي" . الطاقة وعلوم البيئة . 11 (9): 2348– 2352. بيب كود : 2018EnEnS..11.2348H . دوى : 10.1039/C8EE01481G . ردمك 1754-5706 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[

[

[

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗