تصویر یک تکه فسفر سفید در آب را نشان می دهد. فسفر سفید بسیار واکنش پذیر است و اگر در هوا ذخیره شود به طور خود به خود می سوزد.


از کودها و بازدارنده‌های شعله گرفته تا افزودنی‌های غذایی و لوازم الکترونیکی، بسیاری از مواد شیمیایی وجود شان به فسفر سفید بازمی‌گردد. فسفر سفید یا تترافسفر شکل مصنوعی فسفر است که از چهار اتم فسفر تشکیل شده است. این ماده با شکستن سنگ های حاوی فسفات به شکل اولیه تولید می شود که سپس به اسید فسفریک یا سایر ترکیبات فسفر تبدیل می شود (مقدار کمی مستقیماً به عنوان واکنش دهنده استفاده می شود). این توالی کاهش-اکسیداسیون مجدد برای ایجاد محصولات مبتنی بر فسفر برای غلبه بر پایداری باورنکردنی پیوند فسفر-اکسیژن در فسفات طبیعی ضروری است. این پیوند قوی مانع از تبدیل مستقیم سنگ های حاوی فسفات به فسفیت ها یا فسفونات های با ارزش می شود.
با این حال، فرآیند کاهش کربوترمال معمولی برای تولید فسفر سفید دارای ردپای کربن بالایی است. این فرآیند شامل حرارت دادن کک کربن و فسفات تا دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد در یک کوره قوس برای شکستن پیوندهای فسفر-اکسیژن قوی است. این واکنش دی اکسید کربن را به عنوان یک محصول جانبی اصلی تولید می کند. همچنین یک سرباره متاسیلیکات کلسیم تولید می کند زیرا کک به طور کامل اکسید نمی شود که حدود ۳۰٪ از انرژی ورودی را هدر می دهد.
امروزه با تمرکز بر کاهش انتشار کربن صنعتی، محققان در حال بررسی راه های جدیدی برای ساخت فسفر سفید هستند. سنتز الکتروشیمیایی نمک مذاب یکی از گزینه های مورد بررسی برای کاهش انتشار کربن است. در این فرآیند با دمای نسبتا پایین، نمک‌های مذاب به عنوان حلال عمل می‌کنند و با افزایش تحرک واکنش‌دهنده‌ها و سطح تماس بین آنها، سرعت واکنش را افزایش می‌دهند. سنتز نمک مذاب، از جمله با بازیافت دی اکسید کربن به محصولات جدید، در حال حاضر به عنوان راهی برای بهبود پایداری و اثربخشی هزینه تولید نانوموادمورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به استفاده از آن برای تولید فسفر، سنتز نمک مذاب چندین مانع در واکنش احیای فسفات را برطرف می کند. به طور خاص، انجام واکنش در نمک های مذاب از تکامل هیدروژن انگلی جلوگیری می کند و همچنین از تشکیل رسوبات فسفر قرمز عایق الکتریکی جلوگیری می کند.
در فوریه امسال، محققان مؤسسه فناوری ماساچوست مقاله‌ای با دسترسی آزاد منتشر کردند که در آن جزئیات توسعه فرآیند سنتز نمک مذاب برای تولید فسفر سفید توضیح داده شد. در فرآیند آنها از یک شکل دهیدراته اسید فسفریک استفاده می شود که حاوی زنجیره های طولانی نمک های فسفات است که توسط پیوندهایی به نام انیدرید فسفوریل در کنار هم نگه داشته می شوند. پیوندهای فسفریل انیدرید به طور چشمگیری دمای همجوشی مذاب نمک را از ۱۵۸۳ درجه سانتی گراد برای ارتوفسفات سدیم (Na۳PO۴) به تنها ۶۲۸ درجه سانتی گراد برای متافسفات سدیم ([NaPO۳]n) کاهش می دهد.



شماتیک بریده ای از سلول الکتروشیمیایی نمک مذاب توسط محققان MIT. این سیستم دارای محفظه‌های آندی و کاتدی مجزا با جریان‌های  نیتروژن مستقل، یک الکترود Na/Na+ برای استفاده به عنوان مرجع با پتانسیل ثابت، و یک تله سرد برای تعیین مشخصات و کمیت محصول است. (W.E. = الکترود کار)؛ (R.E. = الکترود مرجع)؛ (C.E = الکترود کمکی/شمارنده). میله های گرافیتی برای تمام الکترودها استفاده می شود.


آزمایشات روی این سیستم نمک مذاب توانایی آن را برای دستیابی به تولید بسیار کارآمد و پایدار فسفر سفید نشان داد. به طور خاص، آنها راندمان فارادیک ۹۵ درصد را ثبت کردند که نشان دهنده مقدار محصول جمع آوری شده نسبت به مقدار تولید شده از کل شارژ منتقل شده است.



از دیگر مزایای سیستم می توان به:
کاهش انتشار کربن: این سیستم ردپای کربن کلی فرآیند سنتز را در مقایسه با روش معمولی حدود ۵۰ درصد کاهش می دهد. محققان امیدوارند در آینده با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر برای تامین برق مورد نیاز، انتشار کربن را تقریبا به صفر برسانند.
پتانسیل برای تولید در محل: محققان پیش‌بینی می‌کنند که اگر بتوانند این فرآیند را افزایش دهند، به کاربران صنعتی اجازه می‌دهد به جای ارسال فسفر سفید در محل، فسفر سفید تولید کنند که این امر خطرات حمل و نقل این مواد منفجره را کاهش می‌دهد.
برای انجام این مطالعه، محققان مجبور شدند ابزار جدیدی برای کنترل و اندازه‌گیری الکترولیت‌های سیستم ایجاد کنند. آنها قصد دارند از این ابزارهای جدید برای توسعه فرآیندهای کم کربن برای جداسازی سایر عناصر مهم صنعتی مانند سیلیکون و آهن استفاده کنند.
یوگش سورندرانات، دانشیار شیمی و مهندسی شیمی در MIT، در بیانیه مطبوعاتی MIT می‌گوید: «این کار در راستای منافع گسترده‌تر ما در کربن‌زدایی از این فرآیندهای صنعتی قدیمی است که دارای ردپای کربن عظیمی هستند. "علم اساسی که ما را به آنجا هدایت می کند درک این است که چگونه می توان الکترولیت ها را برای تقویت این فرآیندها تنظیم کرد."



مقاله مرجع:
منبع:
ترجمه: پرتو خلیف پور، دانشگاه صنعتی شریف