नई तकनीक कार्बन डाइऑक्साइड को तरल ईंधन में बदलने में सुधार करती है

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कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) जीवाश्म ईंधन जलाने का उत्पाद है और सबसे आम ग्रीनहाउस गैस है, जिसे टिकाऊ तरीके से उपयोगी ईंधन में परिवर्तित किया जा सकता है। CO2 उत्सर्जन को ईंधन फीडस्टॉक में परिवर्तित करने का एक आशाजनक तरीका इलेक्ट्रोकेमिकल कटौती नामक एक प्रक्रिया है। लेकिन व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य होने के लिए, अधिक वांछित कार्बन-समृद्ध उत्पादों का चयन करने या उत्पादन करने के लिए प्रक्रिया में सुधार करने की आवश्यकता है। अब, जैसा कि नेचर एनर्जी जर्नल में बताया गया है, लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी (बर्कले लैब) ने सहायक प्रतिक्रिया के लिए उपयोग किए जाने वाले तांबे उत्प्रेरक की सतह को बेहतर बनाने के लिए एक नई विधि विकसित की है, जिससे प्रक्रिया की चयनात्मकता बढ़ जाती है।
"हालांकि हम जानते हैं कि तांबा इस प्रतिक्रिया के लिए सबसे अच्छा उत्प्रेरक है, यह वांछित उत्पाद के लिए उच्च चयनात्मकता प्रदान नहीं करता है," बर्कले लैब में रसायन विज्ञान विभाग के एक वरिष्ठ वैज्ञानिक और विश्वविद्यालय में रसायन इंजीनियरिंग के प्रोफेसर एलेक्सिस ने कहा। कैलिफ़ोर्निया, बर्कले के। जादू ने कहा. "हमारी टीम ने पाया कि आप इस प्रकार की चयनात्मकता प्रदान करने के लिए विभिन्न तरकीबें करने के लिए उत्प्रेरक के स्थानीय वातावरण का उपयोग कर सकते हैं।"
पिछले अध्ययनों में, शोधकर्ताओं ने व्यावसायिक मूल्य वाले कार्बन-समृद्ध उत्पाद बनाने के लिए सर्वोत्तम विद्युत और रासायनिक वातावरण प्रदान करने के लिए सटीक स्थितियाँ स्थापित की हैं। लेकिन ये स्थितियां उन स्थितियों के विपरीत हैं जो पानी आधारित प्रवाहकीय सामग्री का उपयोग करके विशिष्ट ईंधन कोशिकाओं में स्वाभाविक रूप से होती हैं।
ऊर्जा मंत्रालय के लिक्विड सनशाइन एलायंस के एनर्जी इनोवेशन सेंटर प्रोजेक्ट के हिस्से के रूप में, ईंधन सेल जल पर्यावरण में उपयोग किए जा सकने वाले डिज़ाइन को निर्धारित करने के लिए, बेल और उनकी टीम ने आयनोमर की एक पतली परत की ओर रुख किया, जो कुछ चार्ज करने की अनुमति देती है अणुओं (आयनों) का गुजरना। अन्य आयनों को छोड़ दें. अपने अत्यधिक चयनात्मक रासायनिक गुणों के कारण, वे सूक्ष्म पर्यावरण पर गहरा प्रभाव डालने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं।
बेल समूह के एक पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता और पेपर के पहले लेखक चान्योन किम ने तांबे के उत्प्रेरक की सतह को दो सामान्य आयनोमर्स, नेफियन और सस्टेनियन के साथ कोट करने का प्रस्ताव दिया। टीम ने परिकल्पना की कि ऐसा करने से उत्प्रेरक के पास के वातावरण में बदलाव आना चाहिए - जिसमें पीएच और पानी और कार्बन डाइऑक्साइड की मात्रा शामिल है - किसी तरह से कार्बन युक्त उत्पादों का उत्पादन करने के लिए प्रतिक्रिया को निर्देशित करना चाहिए जिन्हें आसानी से उपयोगी रसायनों में परिवर्तित किया जा सकता है। उत्पाद और तरल ईंधन.
शोधकर्ताओं ने एक फिल्म बनाने के लिए एक बहुलक सामग्री द्वारा समर्थित तांबे की फिल्म पर प्रत्येक आयनोमर की एक पतली परत और दो आयनोमर की एक दोहरी परत लगाई, जिसे वे हाथ के आकार के इलेक्ट्रोकेमिकल सेल के एक छोर के पास डाल सकते थे। बैटरी में कार्बन डाइऑक्साइड इंजेक्ट करते समय और वोल्टेज लगाते समय, उन्होंने बैटरी के माध्यम से बहने वाली कुल धारा को मापा। फिर उन्होंने प्रतिक्रिया के दौरान निकटवर्ती जलाशय में एकत्रित गैस और तरल को मापा। दो-परत मामले के लिए, उन्होंने पाया कि कार्बन-समृद्ध उत्पाद प्रतिक्रिया द्वारा खपत ऊर्जा का 80% हिस्सा थे - बिना लेपित मामले में 60% से अधिक।
बेल ने कहा, "यह सैंडविच कोटिंग दोनों दुनियाओं का सर्वश्रेष्ठ प्रदान करती है: उच्च उत्पाद चयनात्मकता और उच्च गतिविधि।" डबल-लेयर सतह न केवल कार्बन-समृद्ध उत्पादों के लिए अच्छी है, बल्कि एक ही समय में एक मजबूत धारा भी उत्पन्न करती है, जो गतिविधि में वृद्धि का संकेत देती है।
शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि बेहतर प्रतिक्रिया सीधे तांबे के शीर्ष पर कोटिंग में जमा हुई उच्च CO2 सांद्रता का परिणाम थी। इसके अलावा, नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए अणु जो दो आयनोमर्स के बीच के क्षेत्र में जमा होते हैं, कम स्थानीय अम्लता पैदा करेंगे। यह संयोजन आयनोमर फिल्मों की अनुपस्थिति में होने वाले सांद्रण ट्रेड-ऑफ़ को संतुलित करता है।
प्रतिक्रिया की दक्षता को और बेहतर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले से सिद्ध तकनीक की ओर रुख किया, जिसमें CO2 और pH: स्पंदित वोल्टेज को बढ़ाने के लिए एक अन्य विधि के रूप में आयनोमर फिल्म की आवश्यकता नहीं होती है। डबल-लेयर आयनोमर कोटिंग पर स्पंदित वोल्टेज लागू करके, शोधकर्ताओं ने अनकोटेड तांबे और स्थिर वोल्टेज की तुलना में कार्बन युक्त उत्पादों में 250% की वृद्धि हासिल की।
हालाँकि कुछ शोधकर्ता अपना काम नए उत्प्रेरकों के विकास पर केंद्रित करते हैं, लेकिन उत्प्रेरक की खोज परिचालन स्थितियों को ध्यान में नहीं रखती है। उत्प्रेरक सतह पर पर्यावरण को नियंत्रित करना एक नई और अलग विधि है।
वरिष्ठ इंजीनियर एडम वेबर ने कहा, "हम पूरी तरह से नए उत्प्रेरक के साथ नहीं आए, लेकिन प्रतिक्रिया गतिकी की अपनी समझ का इस्तेमाल किया और उत्प्रेरक साइट के वातावरण को कैसे बदला जाए, इस बारे में सोचने में मार्गदर्शन करने के लिए इस ज्ञान का इस्तेमाल किया।" बर्कले प्रयोगशालाओं में ऊर्जा प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में वैज्ञानिक और पत्रों के सह-लेखक।
अगला कदम लेपित उत्प्रेरक के उत्पादन का विस्तार करना है। बर्कले लैब टीम के प्रारंभिक प्रयोगों में छोटे फ्लैट मॉडल सिस्टम शामिल थे, जो व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक बड़े क्षेत्र वाली छिद्रपूर्ण संरचनाओं की तुलना में बहुत सरल थे। “सपाट सतह पर लेप लगाना कठिन नहीं है। लेकिन व्यावसायिक तरीकों में तांबे की छोटी गेंदों पर कोटिंग करना शामिल हो सकता है,” बेल ने कहा। कोटिंग की दूसरी परत जोड़ना चुनौतीपूर्ण हो जाता है। एक संभावना यह है कि दोनों कोटिंग्स को एक विलायक में एक साथ मिलाया जाए और जमा किया जाए, और आशा की जाए कि जब विलायक वाष्पित हो जाए तो वे अलग हो जाएं। यदि वे नहीं करेंगे तो क्या होगा? बेल ने निष्कर्ष निकाला: "हमें बस होशियार होने की जरूरत है।" किम सी, बुई जेसी, लुओ एक्स और अन्य का संदर्भ लें। तांबे पर डबल-लेयर आयनोमर कोटिंग का उपयोग करके बहु-कार्बन उत्पादों में CO2 के विद्युत-अपचयन के लिए अनुकूलित उत्प्रेरक सूक्ष्म वातावरण। नेट एनर्जी. 2021;6(11):1026-1034। doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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