एमआईटी के रासायनिक इंजीनियरों ने कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बन मोनोऑक्साइड में परिवर्तित करने का एक कुशल तरीका तैयार किया है, जो एक रासायनिक अग्रदूत है जिसका उपयोग इथेनॉल और अन्य ईंधन जैसे उपयोगी यौगिकों को उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।

यदि इसे औद्योगिक उपयोग के लिए बढ़ाया जाए, तो यह प्रक्रिया इसे दूर करने में मदद कर सकती हैकार्बन डाईऑक्साइडसेबिजली संयंत्रोंऔर अन्य स्रोत, वायुमंडल में छोड़ी जाने वाली ग्रीनहाउस गैसों की मात्रा को कम करते हैं।

"यह आपको उत्सर्जन से कार्बन डाइऑक्साइड लेने या समुद्र में घुलने की अनुमति देगा, और इसे लाभदायक रसायनों में परिवर्तित करेगा। यह वास्तव में डीकार्बोनाइजेशन के लिए आगे बढ़ने का एक रास्ता है क्योंकि हम CO ले सकते हैं₂, जो एक ग्रीनहाउस गैस है, और इसे उन चीजों में बदल दें जो रासायनिक निर्माण के लिए उपयोगी हैं,'' केमिकल इंजीनियरिंग के पॉल एम. कुक कैरियर डेवलपमेंट असिस्टेंट प्रोफेसर और अध्ययन के वरिष्ठ लेखक एरियल फ़र्स्ट कहते हैं।

नया दृष्टिकोण रासायनिक रूपांतरण करने के लिए बिजली का उपयोग करता है, जिसकी मदद सेउत्प्रेरकजो इससे बंधा हुआ हैइलेक्ट्रोडडीएनए के धागों द्वारा सतह।यह डीएनए सभी प्रतिक्रिया घटकों को पास में रखने के लिए वेल्क्रो की तरह कार्य करता है, जिससे प्रतिक्रिया अधिक कुशल हो जाती है, अगर सभी घटक समाधान में तैर रहे हों।

फ़र्स्ट ने प्रौद्योगिकी को और विकसित करने के लिए हेलिक्स कार्बन नामक एक कंपनी शुरू की है।पूर्व एमआईटी पोस्टडॉक गैंग फैन इसके प्रमुख लेखक हैंकागज़, जो में प्रकाशित हुआ हैजर्नल ऑफ़ द अमेरिकन केमिकल सोसाइटी ए.यू.अन्य लेखकों में नाथन कॉर्बिन पीएच.डी. शामिल हैं।'21, मिंजू चुंग पीएच.डी.'23, पूर्व एमआईटी पोस्टडॉक्स थॉमस गिल और अमृता करबेलकर, और इवान मूर '23।

CO को तोड़ना₂

कार्बन डाइऑक्साइड को उपयोगी उत्पादों में परिवर्तित करने के लिए सबसे पहले इसे परिवर्तित करना आवश्यक हैकार्बन मोनोआक्साइड.ऐसा करने का एक तरीका बिजली है, लेकिन उस प्रकार के इलेक्ट्रोकैटलिसिस के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा अत्यधिक महंगी है।

उन लागतों को कम करने की कोशिश करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रोकैटलिस्ट्स का उपयोग करने की कोशिश की है, जो प्रतिक्रिया को तेज कर सकता है और सिस्टम में जोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा को कम कर सकता है।इस प्रतिक्रिया के लिए उपयोग किया जाने वाला एक प्रकार का उत्प्रेरक पोर्फिरिन नामक अणुओं का एक वर्ग है, जिसमें लौह या कोबाल्ट जैसी धातुएं होती हैं और संरचना में हेम अणुओं के समान होती हैं जो रक्त में ऑक्सीजन ले जाती हैं।

इस प्रकार की इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया के दौरान, कार्बन डाइऑक्साइड को एक इलेक्ट्रोकेमिकल उपकरण के भीतर पानी में घोल दिया जाता है, जिसमें एक इलेक्ट्रोड होता है जो प्रतिक्रिया को संचालित करता है।घोल में उत्प्रेरक भी निलंबित होते हैं।हालाँकि, यह सेटअप बहुत कुशल नहीं है क्योंकि कार्बन डाइऑक्साइड और उत्प्रेरक को इलेक्ट्रोड सतह पर एक-दूसरे का सामना करने की आवश्यकता होती है, जो अक्सर नहीं होता है।

प्रतिक्रिया को अधिक बार घटित करने के लिए, जिससे इलेक्ट्रोकेमिकल रूपांतरण की दक्षता को बढ़ावा मिलेगा, फ़र्स्ट ने उत्प्रेरकों को इलेक्ट्रोड की सतह से जोड़ने के तरीकों पर काम करना शुरू किया।इस एप्लिकेशन के लिए डीएनए आदर्श विकल्प प्रतीत हुआ।

वह कहती हैं, "डीएनए अपेक्षाकृत सस्ता है, आप इसे रासायनिक रूप से संशोधित कर सकते हैं, और आप अनुक्रमों को बदलकर दो तारों के बीच बातचीत को नियंत्रित कर सकते हैं।""यह एक अनुक्रम-विशिष्ट वेल्क्रो की तरह है जिसमें बहुत मजबूत लेकिन प्रतिवर्ती इंटरैक्शन हैं जिन्हें आप नियंत्रित कर सकते हैं।"

डीएनए के एकल स्ट्रैंड को कार्बन इलेक्ट्रोड से जोड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने दो "रासायनिक हैंडल" का उपयोग किया, एक डीएनए पर और एक इलेक्ट्रोड पर।इन हैंडलों को एक साथ जोड़ा जा सकता है, जिससे एक स्थायी बंधन बन जाता है।फिर एक पूरक डीएनए अनुक्रम को पोर्फिरिन उत्प्रेरक से जोड़ा जाता है, ताकि जब उत्प्रेरक को समाधान में जोड़ा जाए, तो यह वेल्क्रो की तरह पहले से ही इलेक्ट्रोड से जुड़े डीएनए से विपरीत रूप से बंध जाएगा।

एक बार यह प्रणाली स्थापित हो जाने के बाद, शोधकर्ता इलेक्ट्रोड पर एक क्षमता (या पूर्वाग्रह) लागू करते हैं, और उत्प्रेरक इस ऊर्जा का उपयोग समाधान में कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बन मोनोऑक्साइड में परिवर्तित करने के लिए करता है।प्रतिक्रिया से पानी से थोड़ी मात्रा में हाइड्रोजन गैस भी उत्पन्न होती है।उत्प्रेरक के खराब होने के बाद, उन्हें दो डीएनए स्ट्रैंड के बीच प्रतिवर्ती बंधन को तोड़ने के लिए सिस्टम को गर्म करके सतह से छोड़ा जा सकता है, और नए के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है।

एक कुशल प्रतिक्रिया

इस दृष्टिकोण का उपयोग करके, शोधकर्ता प्रतिक्रिया की फैराडिक दक्षता को 100% तक बढ़ाने में सक्षम थे, जिसका अर्थ है कि सभीविद्युतीय ऊर्जाजो सिस्टम में जाता है वह सीधे रासायनिक प्रतिक्रियाओं में चला जाता है, बिना किसी ऊर्जा की बर्बादी के।जब उत्प्रेरक डीएनए से बंधे नहीं होते हैं, तो फैराडिक दक्षता केवल 40% होती है।

इस तकनीक को बढ़ाया जा सकता हैऔद्योगिक उपयोगफ़र्स्ट का कहना है कि यह काफी आसानी से किया जा सकता है, क्योंकि शोधकर्ताओं ने जिन कार्बन इलेक्ट्रोडों का उपयोग किया है वे पारंपरिक धातु इलेक्ट्रोडों की तुलना में बहुत कम महंगे हैं।उत्प्रेरक सस्ते भी हैं, क्योंकि उनमें कोई भी उत्प्रेरक नहीं होता हैकीमती धातु, और इलेक्ट्रोड सतह पर उत्प्रेरक की केवल एक छोटी सांद्रता की आवश्यकता होती है।

विभिन्न उत्प्रेरकों की अदला-बदली करके, शोधकर्ता इस दृष्टिकोण का उपयोग करके मेथनॉल और इथेनॉल जैसे अन्य उत्पाद बनाने की कोशिश करने की योजना बना रहे हैं।फ़र्स्ट द्वारा शुरू की गई कंपनी हेलिक्स कार्बन संभावित व्यावसायिक उपयोग के लिए प्रौद्योगिकी को और विकसित करने पर भी काम कर रही है।

अधिक जानकारी:गैंग फैन एट अल, डीएनए-निर्देशित उत्प्रेरक स्थिरीकरण के माध्यम से अत्यधिक कुशल कार्बन डाइऑक्साइड विद्युतीकरण,जेएसीएस औ(2024)।डीओआई: 10.1021/jacsau.3c00823

यह कहानी एमआईटी न्यूज़ के सौजन्य से पुनः प्रकाशित की गई है (web.mit.edu/newsoffice/), एक लोकप्रिय साइट जो एमआईटी अनुसंधान, नवाचार और शिक्षण के बारे में समाचार कवर करती है।