بيروكسيد الهيدروجين هو جزيء ماء يحتوي على بعض الأكسجين الإضافي (H2O2)، وقد تم تحضيره لأول مرة في عام 1818 من قبل العالم لويس جاك تينارد، بتفاعل كيميائي لبيروكسيد الباريوم مع حمض النتريك.
تعتمد معظم الطرق الصناعية لتحضيره على ما يعرف باسم عملية (Anthraquinone ) التي تقلل من جزيئات الأكسجين بواسطة الهيدروجين المستخرج من الميثان بوجود محفز.
ولكنها عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة، وتعتمد على موارد الوقود الأحفوري.
طور فريق من الباحثين طريقة محمولة وأكثر صداقة للبيئة لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين، مما سيمكن المستشفيات من توفير إمداداتها من المطهر عند الطلب وبتكلفة أقل.
العمل هو تعاون بين جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، وجامعة كولومبيا، ومختبر بروكهافن الوطني، وجامعة كالغاري، وجامعة كاليفورنيا، إيرفين، وهو مفصل في ورقة منشورة في Nature Communications.
تصدرت بيروكسيد الهيدروجين عناوين الصحف في الآونة الأخيرة حيث يختبر الباحثون والمراكز الطبية في جميع أنحاء البلاد قابليتها للاستخدام في تعقيم أقنعة N95 للتعامل مع النقص وسط جائحة COVID-19.
في حين أن النتائج حتى الآن واعدة، فإن بعض الباحثين قلقون من أن العمر الافتراضي السيئ للمادة الكيميائية يمكن أن يجعل جهود إزالة التلوث هذه مكلفة.
المشكلة الرئيسية هي أن بيروكسيد الهيدروجين غير مستقر، ويتحلل ببطء في وجود قاعدة أو محفز، وينهار بسرعة أكبر بمجرد تعرضه للهواء أو الضوء.
قال الأستاذ في الهندسة النانوية بجامعة كاليفورنيا سان دييغو تشنغ تشين: “ربما يكون لديك بضعة أشهر فقط لاستخدامه قبل انتهاء صلاحيته، لذا سيتعين عليك طلب دفعات بشكل أكثر تكرارا للحفاظ على إمدادات جديدة”. “ولأنه يتحلل بسرعة كبيرة، فإن شحنه وتخزينه يصبح مكلفا جدا.”
طور تشين وزملاؤه طريقة سريعة وبسيطة وغير مكلفة لتوليد بيروكسيد الهيدروجين في المنزل باستخدام قارورة صغيرة، هواء، إلكتروليت جاهز، محفز وكهرباء.
وقال تشن: “هدفنا هو إنشاء جهاز محمول يمكن توصيله ببساطة حتى نتيح للمستشفيات، وحتى المنازل، طريقة لتوليد بيروكسيد الهيدروجين عند الطلب، لا تحتاج إلى شحن، ولا إلى تخزين، وستمكن من توفير ما يصل إلى 50 إلى 70٪ من التكاليف.”
ميزة أخرى هي أن الطريقة أقل سمية من العمليات الصناعية.
تعتمد الطريقة على تفاعل كيميائي حيث يتحد جزيء واحد من الأكسجين مع إلكترونين وبروتونين في محلول إلكتروليت حمضي لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين.
يُعرف هذا النوع من التفاعل باسم تفاعل اختزال الأكسجين ثنائي الإلكترون، وهو سهل الاستخدام لأنه يمكن أن ينتج بيروكسيد الهيدروجين المخفف بالتركيز المطلوب عند الطلب.
وقال Qiaowan Chang خريج الهندسة الكيميائية في جامعة كاليفورنيا سان دييغو: “في الخطوة التالية، سنقوم بتطوير محفزات كهربائية مناسبة لزيادة نطاق تطبيقاتها”.
مفتاح تحقيق هذا التفاعل هو محفز خاص طوره الفريق، يتكون من أنابيب نانوية كربونية مؤكسدة جزئيا، مما يعني أن ذرات الأكسجين قد تم ربطها بالسطح.
وترتبط ذرات الأكسجين بمجموعات صغيرة من ثلاث إلى أربع ذرات بالاديوم، و هذه الروابط بين عناقيد البلاديوم وذرات الأكسجين هي التي تمكن التفاعل من الحدوث والانتقائية العالية بسبب طاقة الربط المثلى للوسيطة الرئيسية أثناء التفاعل.
وقال أستاذ الهندسة الكيميائية بجامعة كولومبيا جينغقوانغ تشين “إن التنسيق بين مجموعة Pd المعدلة بالأكسجين والمجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين على الأنابيب النانوية الكربونية هو المفتاح لتحسين أدائها المحفز”.
طور الفريق في الأصل هذه الطريقة لجعل عمليات إعادة تدوير البطارية أكثر مراعاة للبيئة.
مقالات شبيهة:
التدخين يقضي على كورونا .. دراسة علمية جديدة وعلماء الإدمان يحذرون
بيروكسيد الهيدروجين هو أحد المواد الكيميائية المستخدمة لاستخراج واستعادة المعادن مثل النحاس والنيكل والكوبالت والمغنيسيوم من بطاريات أيونات الليثيوم المستخدمة، وبالمثل، فإنه يجعل تنشيط جزيئات الهيدروكربون أكثر كفاءة، وهو خطوة حاسمة في العديد من العمليات الكيميائية الصناعية.
وقال تشين “كنا نعمل في هذا المشروع منذ عام ونصف تقريبا، وبينما كنا ننهي الأمور، ضربت جائحة COVID-19”.
وقد حفزت رؤية التقارير الإخبارية حول استخدام بخار بيروكسيد الهيدروجين لتطهير أقنعة N95 لإعادة استخدامها، الفريق على توجيه الاتجاهات.
وقال “رأينا أن هناك حاجة أكثر إلحاحا لبذل جهود لمساعدة العاملين في مجال الرعاية الصحية الذين قد لا يكون لديهم حماية كافية أثناء رعاية المرضى الذين يعانون من فيروس كورونا الجديد”.
وسيعمل الفريق على تحسين طريقة الاستخدام المحتمل في المستشفيات، وقال تشين إن الدراسات المستقبلية تتضمن تعديل الطريقة بحيث يمكن إجراؤها باستخدام إلكتروليت محايد (في الأساس محلول ملحي) بدلاً من حل حامضي، والذي سيكون أفضل للتطبيقات المنزلية والسريرية.
جدير بالذكر أن جزء من هذا العمل المستمر مدعوم حاليا بمركز الطاقة والطاقة المستدام في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو.
وقد ساعد بيروكسيد الهيدروجين، وهو شقيق الماء القصير، البشر على مكافحة العدوى منذ أن اكتشفت خصائصه المعقمة منذ ما يقرب من قرنين من الزمان، ولسوء الحظ، فهو غير مستقر إلى حد ما، مما يجعل نقله أمرا صعبا عند الضرورة.
وكان باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، طوروا طريقة بسيطة إلى حد ما، تستخدم أجهزة محمولة تحوي محفزات غير سامة لتحويل المياه إلى بيروكسيد الهيدروجين الذي يستخدم كقاتل جرثومي وكمبيض صديق للبيئة حيث يتحلل بسرعة وأمان فيها.