अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी और कोलंबिया विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ) को परिवर्तित करने का एक तरीका विकसित किया है₂), एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस, कार्बन नैनोफाइबर में, अद्वितीय गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला और कई संभावित दीर्घकालिक उपयोग वाली सामग्री।उनकी रणनीति अपेक्षाकृत कम तापमान और परिवेश के दबाव पर चलने वाली अग्रानुक्रम इलेक्ट्रोकेमिकल और थर्मोकेमिकल प्रतिक्रियाओं का उपयोग करती है।

जैसा कि वैज्ञानिक जर्नल में वर्णन करते हैंप्रकृति उत्प्रेरण,यह पहुचसफलतापूर्वक लॉक किया जा सकाकार्बननकारात्मक कार्बन उत्सर्जन को संतुलित करने या प्राप्त करने के लिए उपयोगी ठोस रूप में दूर रखें।

"आप सीमेंट को मजबूत करने के लिए कार्बन नैनोफाइबर को सीमेंट में डाल सकते हैं," ब्रुकहेवन लैब में संयुक्त नियुक्ति के साथ कोलंबिया में केमिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर जिंगगुआंग चेन ने कहा, जिन्होंने शोध का नेतृत्व किया।"इससे कार्बन कंक्रीट में कम से कम 50 वर्षों के लिए बंद हो जाएगा, संभवतः इससे भी अधिक वर्षों तक। तब तक, दुनिया को मुख्य रूप से स्थानांतरित कर दिया जाना चाहिएपुनःप्राप्य उर्जा स्रोतजो कार्बन का उत्सर्जन नहीं करता है।"

बोनस के रूप में, यह प्रक्रिया हाइड्रोजन गैस (H.) भी उत्पन्न करती है₂), एक आशाजनक वैकल्पिक ईंधन, जिसका उपयोग करने पर शून्य उत्सर्जन होता है।

कार्बन को पकड़ना या परिवर्तित करना

सीओ को पकड़ने का विचार₂या जलवायु परिवर्तन से निपटने के लिए इसे अन्य सामग्रियों में परिवर्तित करना कोई नई बात नहीं है।लेकिन केवल CO का भंडारण करना₂गैस रिसाव का कारण बन सकती है।और कई सीओ₂रूपांतरणों से कार्बन-आधारित रसायन या ईंधन उत्पन्न होते हैं जिनका तुरंत उपयोग किया जाता है, जो CO जारी करता है₂ठीक वातावरण में वापस।

"इस कार्य की नवीनता यह है कि हम CO को परिवर्तित करने का प्रयास कर रहे हैं₂किसी ऐसी चीज़ में जो मूल्यवर्धित है लेकिन ठोस, उपयोगी रूप में है," चेन ने कहा।

ऐसी ठोस कार्बन सामग्री - जिसमें कार्बन नैनोट्यूब और नैनोफाइबर शामिल हैं, जिनका आयाम एक मीटर के अरबवें हिस्से को मापता है - में ताकत और तापीय और विद्युत चालकता सहित कई आकर्षक गुण होते हैं।लेकिन कार्बन निकालना कोई साधारण बात नहीं हैकार्बन डाईऑक्साइडऔर इसे इन उत्कृष्ट संरचनाओं में एकत्रित करना।एक प्रत्यक्ष, गर्मी-चालित प्रक्रिया के लिए 1,000 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान की आवश्यकता होती है।

"बड़े पैमाने पर CO के लिए यह बहुत अवास्तविक है₂शमन," चेन ने कहा। "इसके विपरीत, हमें एक ऐसी प्रक्रिया मिली जो लगभग 400 डिग्री सेल्सियस पर हो सकती है, जो कि अधिक व्यावहारिक, औद्योगिक रूप से प्राप्त करने योग्य तापमान है।"

अग्रानुक्रम दो कदम

चाल थी प्रतिक्रिया को चरणों में तोड़ना और दो अलग-अलग प्रकार के उत्प्रेरकों का उपयोग करना - जो अणुओं के लिए एक साथ आना और प्रतिक्रिया करना आसान बनाते हैं।

"यदि आप प्रतिक्रिया को कई उप-प्रतिक्रिया चरणों में विभाजित करते हैं, तो आप प्रतिक्रिया के प्रत्येक भाग को काम करने के लिए विभिन्न प्रकार के ऊर्जा इनपुट और उत्प्रेरक का उपयोग करने पर विचार कर सकते हैं," ब्रुकहेवन लैब और कोलंबिया के अनुसंधान वैज्ञानिक झेनहुआ ​​ज़ी, पेपर के प्रमुख लेखक ने कहा।

वैज्ञानिकों ने यह महसूस करके शुरुआत की कि कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) CO की तुलना में बहुत बेहतर प्रारंभिक सामग्री है₂कार्बन नैनोफाइबर (CNF) बनाने के लिए।फिर वे CO से CO उत्पन्न करने का सबसे प्रभावी तरीका खोजने के लिए पीछे हट गए₂.

उनके समूह के पहले के काम ने उन्हें कार्बन पर आधारित पैलेडियम से बने व्यावसायिक रूप से उपलब्ध इलेक्ट्रोकैटलिस्ट का उपयोग करने के लिए प्रेरित किया।इलेक्ट्रोकैटलिस्ट विद्युत धारा का उपयोग करके रासायनिक प्रतिक्रियाएं चलाते हैं।प्रवाहित इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन की उपस्थिति में,उत्प्रेरकदोनों CO को विभाजित करता है2_{और पानी (एच2}O) CO और H में₂._{दूसरे चरण के लिए, वैज्ञानिकों ने लौह-कोबाल्ट मिश्र धातु से बने ताप-सक्रिय थर्मोकैटलिस्ट की ओर रुख किया।}यह लगभग 400 डिग्री सेल्सियस तापमान पर काम करता है, जो प्रत्यक्ष CO की तुलना में काफी हल्का है

2_{-टू-सीएनएफ रूपांतरण की आवश्यकता होगी।}उन्होंने यह भी पता लगाया कि थोड़ा सा अतिरिक्त धात्विक कोबाल्ट मिलाने से कार्बन नैनोफाइबर का निर्माण काफी बढ़ जाता है।

चेन ने कहा, "इलेक्ट्रोकैटलिसिस और थर्मोकैटलिसिस को जोड़कर, हम इस अग्रानुक्रम प्रक्रिया का उपयोग उन चीजों को हासिल करने के लिए कर रहे हैं जिन्हें अकेले प्रक्रिया से हासिल नहीं किया जा सकता है।"

उत्प्रेरक लक्षण वर्णन

ये उत्प्रेरक कैसे काम करते हैं, इसका विवरण जानने के लिए वैज्ञानिकों ने कई तरह के प्रयोग किए।इनमें त्वरित एक्स-रे अवशोषण और स्कैटरिंग (क्यूएएस) और इनर-शेल स्पेक्ट्रोस्कोपी (आईएसएस) बीमलाइन का उपयोग करके ब्रुकहेवन लैब के नेशनल सिंक्रोट्रॉन लाइट सोर्स II (एनएसएलएस-II) में कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग अध्ययन, भौतिक और रासायनिक लक्षण वर्णन अध्ययन शामिल हैं।और लैब के सेंटर फॉर फंक्शनल नैनोमटेरियल्स (सीएफएन) में इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी सुविधा में सूक्ष्म इमेजिंग।

मॉडलिंग के मोर्चे पर, वैज्ञानिकों ने सक्रिय रासायनिक वातावरण के साथ बातचीत करते समय उत्प्रेरक की परमाणु व्यवस्था और अन्य विशेषताओं का विश्लेषण करने के लिए "घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत" (डीएफटी) गणना का उपयोग किया।

"हम यह निर्धारित करने के लिए संरचनाओं को देख रहे हैं कि प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत उत्प्रेरक के स्थिर चरण क्या हैं," इन गणनाओं का नेतृत्व करने वाले ब्रुकहेवन के रसायन विज्ञान प्रभाग के सह-लेखक पिंग लियू ने बताया।"हम सक्रिय साइटों को देख रहे हैं और ये साइटें प्रतिक्रिया मध्यवर्ती के साथ कैसे जुड़ रही हैं। एक चरण से दूसरे चरण में बाधाओं, या संक्रमण स्थितियों का निर्धारण करके, हम सीखते हैं कि प्रतिक्रिया के दौरान उत्प्रेरक कैसे कार्य कर रहा है।"

एनएसएलएस-II में एक्स-रे विवर्तन और एक्स-रे अवशोषण प्रयोगों ने ट्रैक किया कि प्रतिक्रियाओं के दौरान उत्प्रेरक भौतिक और रासायनिक रूप से कैसे बदल गए।उदाहरण के लिए, सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे से पता चला कि कैसे विद्युत प्रवाह की उपस्थिति उत्प्रेरक में धात्विक पैलेडियम को पैलेडियम हाइड्राइड में बदल देती है, एक धातु जो एच दोनों का उत्पादन करने के लिए महत्वपूर्ण है।₂और CO प्रथम प्रतिक्रिया चरण में।

दूसरे चरण के लिए, "हम जानना चाहते थे कि प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत लौह-कोबाल्ट प्रणाली की संरचना क्या है और लौह-कोबाल्ट उत्प्रेरक को कैसे अनुकूलित किया जाए," झी ने कहा।एक्स-रे प्रयोगों ने पुष्टि की कि लौह और कोबाल्ट के मिश्र धातु और कुछ अतिरिक्त धातु कोबाल्ट मौजूद हैं और सीओ को कार्बन नैनोफाइबर में परिवर्तित करने के लिए आवश्यक हैं।

"दोनों क्रमिक रूप से एक साथ काम करते हैं," लियू ने कहा, जिनकी डीएफटी गणना ने प्रक्रिया को समझाने में मदद की।

"हमारे अध्ययन के अनुसार, मिश्र धातु में कोबाल्ट-लौह साइटें कार्बन मोनोऑक्साइड के सीओ बांड को तोड़ने में मदद करती हैं। इससे परमाणु कार्बन कार्बन नैनोफाइबर के निर्माण के स्रोत के रूप में उपलब्ध होता है। फिर अतिरिक्त कोबाल्ट के निर्माण की सुविधा के लिए होता हैसी-सी बांड जो कार्बन परमाणुओं को जोड़ते हैं," उसने समझाया।

रीसायकल-तैयार, कार्बन-नकारात्मक

सीएफएन वैज्ञानिक और अध्ययन के सह-लेखक सोयोन ह्वांग ने कहा, "सीएफएन में किए गए ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) विश्लेषण से उत्प्रेरक के साथ और बिना कार्बन नैनोफाइबर के भीतर आकृति विज्ञान, क्रिस्टल संरचनाओं और मौलिक वितरण का पता चला।"

छवियां यह दर्शाती हैं कि, जैसेकार्बन नैनोफाइबरबढ़ने पर, उत्प्रेरक सतह से ऊपर और दूर धकेल दिया जाता है।चेन ने कहा, इससे उत्प्रेरक धातु का पुनर्चक्रण करना आसान हो जाता है।

उन्होंने कहा, "हम कार्बन नैनोफाइबर को नष्ट किए बिना धातु को बाहर निकालने के लिए एसिड का उपयोग करते हैं ताकि हम धातुओं को केंद्रित कर सकें और उत्प्रेरक के रूप में उपयोग करने के लिए उन्हें रीसायकल कर सकें।"

यह उत्प्रेरक पुनर्चक्रण में आसानी, उत्प्रेरक की व्यावसायिक उपलब्धता और अपेक्षाकृत हल्का हैप्रतिक्रिया की स्थितियाँशोधकर्ताओं ने कहा कि दूसरी प्रतिक्रिया के लिए सभी ऊर्जा और प्रक्रिया से जुड़ी अन्य लागतों के अनुकूल मूल्यांकन में योगदान करते हैं।

"व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए, दोनों वास्तव में महत्वपूर्ण हैं - सीओ₂पदचिह्न विश्लेषण और उत्प्रेरक की पुनर्चक्रण क्षमता," चेन ने कहा। "हमारे तकनीकी परिणाम और इन अन्य विश्लेषणों से पता चलता है कि यह अग्रानुक्रम रणनीति CO को डीकार्बोनाइजिंग करने का द्वार खोलती है।₂नवीकरणीय एच का उत्पादन करते हुए मूल्यवान ठोस कार्बन उत्पादों में₂।"

यदि ये प्रक्रियाएँ नवीकरणीय ऊर्जा द्वारा संचालित होती हैं, तो परिणाम वास्तव में कार्बन-नकारात्मक होंगे, जिससे CO के लिए नए अवसर खुलेंगे₂शमन.