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

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कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) जीवाश्म ईंधन के दहन से उत्पन्न उत्पाद है और सबसे आम ग्रीनहाउस गैस है, जिसे स्थायी तरीके से पुनः उपयोगी ईंधन में परिवर्तित किया जा सकता है। CO2 उत्सर्जन को ईंधन फीडस्टॉक में परिवर्तित करने का एक आशाजनक तरीका विद्युत-रासायनिक न्यूनीकरण (इलेक्ट्रोकेमिकल रिडक्शन) नामक प्रक्रिया है। लेकिन व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य होने के लिए, अधिक वांछित कार्बन-समृद्ध उत्पादों का चयन या उत्पादन करने हेतु इस प्रक्रिया में सुधार की आवश्यकता है। अब, जैसा कि नेचर एनर्जी पत्रिका में बताया गया है, लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला (बर्कले लैब) ने सहायक अभिक्रिया के लिए प्रयुक्त कॉपर उत्प्रेरक की सतह को बेहतर बनाने के लिए एक नई विधि विकसित की है, जिससे प्रक्रिया की चयनात्मकता बढ़ जाती है।
बर्कले लैब के रासायनिक विज्ञान विभाग के वरिष्ठ वैज्ञानिक और कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले में रासायनिक इंजीनियरिंग के प्रोफ़ेसर एलेक्सिस स्पेल ने कहा, "हालांकि हम जानते हैं कि तांबा इस अभिक्रिया के लिए सबसे अच्छा उत्प्रेरक है, लेकिन यह वांछित उत्पाद के लिए उच्च चयनात्मकता प्रदान नहीं करता है।" उन्होंने आगे कहा, "हमारी टीम ने पाया कि इस प्रकार की चयनात्मकता प्रदान करने के लिए उत्प्रेरक के स्थानीय वातावरण का उपयोग विभिन्न तरीकों से किया जा सकता है।"
पिछले अध्ययनों में, शोधकर्ताओं ने व्यावसायिक मूल्य वाले कार्बन-समृद्ध उत्पादों के निर्माण हेतु सर्वोत्तम विद्युत और रासायनिक वातावरण प्रदान करने हेतु सटीक परिस्थितियाँ स्थापित की हैं। लेकिन ये परिस्थितियाँ जल-आधारित चालक पदार्थों का उपयोग करने वाले विशिष्ट ईंधन सेलों में स्वाभाविक रूप से उत्पन्न होने वाली परिस्थितियों के विपरीत हैं।
ऊर्जा मंत्रालय के लिक्विड सनशाइन एलायंस की ऊर्जा नवाचार केंद्र परियोजना के एक भाग के रूप में, ईंधन सेल जल वातावरण में उपयोग किए जा सकने वाले डिज़ाइन का निर्धारण करने के लिए, बेल और उनकी टीम ने आयनोमर की एक पतली परत का उपयोग किया, जो कुछ आवेशित अणुओं (आयनों) को अन्य आयनों को छोड़कर, गुजरने देती है। अपने अत्यधिक चयनात्मक रासायनिक गुणों के कारण, ये सूक्ष्म वातावरण पर गहरा प्रभाव डालने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं।
बेल समूह के एक पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता और इस शोधपत्र के प्रथम लेखक, चान्योन किम ने तांबे के उत्प्रेरकों की सतह को दो सामान्य आयनोमर्स, नैफ़ियन और सस्टेनियन, से लेपित करने का प्रस्ताव रखा। टीम ने यह परिकल्पना की कि ऐसा करने से उत्प्रेरक के आस-पास के वातावरण में—जिसमें pH और पानी व कार्बन डाइऑक्साइड की मात्रा भी शामिल है—किसी न किसी तरह से बदलाव आएगा जिससे अभिक्रिया कार्बन-समृद्ध उत्पादों के निर्माण की दिशा में आगे बढ़ेगी जिन्हें आसानी से उपयोगी रसायनों और तरल ईंधनों में परिवर्तित किया जा सकता है।
शोधकर्ताओं ने प्रत्येक आयनोम की एक पतली परत और दो आयनोम की एक दोहरी परत एक बहुलक पदार्थ द्वारा समर्थित तांबे की फिल्म पर लगाकर एक फिल्म बनाई, जिसे वे हाथ के आकार के विद्युत-रासायनिक सेल के एक सिरे के पास लगा सकते थे। बैटरी में कार्बन डाइऑक्साइड इंजेक्ट करते और वोल्टेज लगाते समय, उन्होंने बैटरी से प्रवाहित होने वाली कुल धारा को मापा। फिर उन्होंने अभिक्रिया के दौरान आसन्न जलाशय में एकत्रित गैस और द्रव को मापा। दो-परत वाले मामले में, उन्होंने पाया कि कार्बन-समृद्ध उत्पादों ने अभिक्रिया द्वारा खपत ऊर्जा का 80% हिस्सा बनाया—बिना लेपित मामले में 60% से अधिक।
बेल ने कहा, "यह सैंडविच कोटिंग दोनों ही पहलुओं में सर्वश्रेष्ठ है: उच्च उत्पाद चयनात्मकता और उच्च सक्रियता।" दोहरी परत वाली यह सतह न केवल कार्बन-समृद्ध उत्पादों के लिए अच्छी है, बल्कि साथ ही एक तेज़ धारा भी उत्पन्न करती है, जो सक्रियता में वृद्धि का संकेत देती है।
शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि बेहतर प्रतिक्रिया तांबे के ठीक ऊपर की परत में जमा हुई उच्च CO2 सांद्रता का परिणाम थी। इसके अलावा, दो आयनोमर्स के बीच के क्षेत्र में जमा होने वाले ऋणावेशित अणु कम स्थानीय अम्लता उत्पन्न करेंगे। यह संयोजन आयनोमर्स की अनुपस्थिति में होने वाले सांद्रता के व्यापार-नापसंद को संतुलित करता है।
अभिक्रिया की दक्षता को और बेहतर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक पूर्व-सिद्ध तकनीक का सहारा लिया जिसमें CO2 और pH बढ़ाने के लिए आयनोमर फिल्म की आवश्यकता नहीं होती: स्पंदित वोल्टेज। दोहरी-परत आयनोमर कोटिंग पर स्पंदित वोल्टेज लगाने से, शोधकर्ताओं ने बिना कोटिंग वाले तांबे और स्थिर वोल्टेज की तुलना में कार्बन-समृद्ध उत्पादों में 250% की वृद्धि हासिल की।
हालाँकि कुछ शोधकर्ता नए उत्प्रेरकों के विकास पर अपना ध्यान केंद्रित करते हैं, लेकिन उत्प्रेरक की खोज में परिचालन स्थितियों को ध्यान में नहीं रखा जाता। उत्प्रेरक सतह पर वातावरण को नियंत्रित करना एक नई और अलग विधि है।
बर्कले प्रयोगशालाओं में ऊर्जा प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में कार्यरत वरिष्ठ इंजीनियर और शोधपत्रों के सह-लेखक एडम वेबर ने कहा, "हमने कोई बिल्कुल नया उत्प्रेरक नहीं बनाया, बल्कि प्रतिक्रिया गतिकी की अपनी समझ का इस्तेमाल किया और इस ज्ञान का इस्तेमाल उत्प्रेरक स्थल के वातावरण को बदलने के तरीके के बारे में सोचने में किया।"
अगला कदम लेपित उत्प्रेरकों के उत्पादन का विस्तार करना है। बर्कले लैब टीम के प्रारंभिक प्रयोगों में छोटे समतल मॉडल सिस्टम शामिल थे, जो व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक बड़े क्षेत्र वाली छिद्रपूर्ण संरचनाओं की तुलना में बहुत सरल थे। बेल ने कहा, "एक समतल सतह पर कोटिंग लगाना मुश्किल नहीं है। लेकिन व्यावसायिक तरीकों में तांबे की छोटी गेंदों की कोटिंग शामिल हो सकती है।" कोटिंग की दूसरी परत लगाना चुनौतीपूर्ण हो जाता है। एक संभावना यह है कि दोनों कोटिंग्स को एक विलायक में मिलाकर जमा किया जाए, और आशा की जाए कि विलायक के वाष्पित होने पर वे अलग हो जाएँ। अगर वे अलग नहीं होते हैं तो क्या होगा? बेल ने निष्कर्ष निकाला: "हमें बस और अधिक चतुर होने की आवश्यकता है।" किम सी, बुई जेसी, लुओ एक्स और अन्य का संदर्भ लें। तांबे पर दोहरी-परत आयनोमर कोटिंग का उपयोग करके CO2 को बहु-कार्बन उत्पादों में 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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