उत्प्रेरक संयोजनों के माध्यम से CO2 को ठोस कार्बन नैनोफाइबर में परिवर्तित करना

वायुमंडल से कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने का सबसे अच्छा तरीका खोजने के लिए निरंतर शोध और प्रयोग चल रहे हैं। अमेरिकी ऊर्जा विभाग की ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी और कोलंबिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इसके लिए एक अभिनव तरीका विकसित किया है। CO2 उत्प्रेरक से ठोस कार्बन नैनोफाइबर उत्पादन की प्रक्रिया न केवल कार्बन को पकड़ लेगी बल्कि उपोत्पाद के रूप में हाइड्रोजन का उत्पादन भी करेगी।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग की ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी और कोलंबिया विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) को कार्बन नैनोफाइबर में परिवर्तित करने की एक विधि खोजी है। इन सामग्रियों में कई विशिष्ट गुण हैं और भविष्य में इनका कई तरह से उपयोग किया जा सकता है। उनकी रणनीति में कम तापमान और स्थिर दबाव पर विद्युत रासायनिक और ऊष्मा रासायनिक प्रतिक्रियाओं का संयोजन शामिल है । वैज्ञानिकों द्वारा अपने प्रकाशन में विस्तार से बताया गया है कि यह अभिनव विधि कार्बन को एक मूल्यवान ठोस अवस्था में प्रभावी ढंग से संग्रहित करती है, जिससे कार्बन उत्सर्जन को कम किया जा सकता है या यहां तक ​​कि उलट भी दिया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, यह प्रक्रिया हाइड्रोजन गैस ( _H2 ) भी उत्पन्न करती है , जो एक अत्यंत आशाजनक वैकल्पिक ईंधन है और उपयोग किए जाने पर शून्य उत्सर्जन करती है।

कोलंबिया विश्वविद्यालय में रासायनिक अभियांत्रिकी के प्रमुख और ब्रुकहेवन लैब में संयुक्त रूप से कार्यरत प्रोफेसर जिंगगुआंग चेन ने कहा, "सीमेंट को मजबूत बनाने के लिए उसमें कार्बन नैनोफाइबर मिलाए जा सकते हैं। इससे कार्बन कम से कम 50 वर्षों तक, और संभवतः उससे भी अधिक समय तक, कंक्रीट में सुरक्षित रहेगा। तब तक, दुनिया को मुख्य रूप से नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों की ओर रुख कर लेना चाहिए जो कार्बन उत्सर्जन नहीं करते हैं।"

कार्बन कैप्चर और रूपांतरण

जलवायु परिवर्तन से निपटने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ना और परिवर्तित करना कोई नई अवधारणा नहीं है। हालांकि, केवल कार्बन डाइऑक्साइड गैस को संग्रहित करने से रिसाव हो सकता है। कार्बन डाइऑक्साइड के कई रूपांतरणों से कार्बन-आधारित रसायन या ईंधन उत्पन्न होते हैं जिनका तुरंत उपयोग किया जाता है, जिससे कार्बन डाइऑक्साइड वापस वायुमंडल में उत्सर्जित हो जाती है।

प्रोफेसर चेन ने कहा, "इस काम की नवीनता यह है कि हम CO2 को किसी ऐसी चीज में बदलने की कोशिश कर रहे हैं जो मूल्यवर्धित हो लेकिन ठोस, उपयोगी रूप में हो।"

कार्बन नैनोफाइबर और नैनोट्यूब ठोस कार्बन सामग्री हैं जिनका आयाम एक मीटर के अरबवें हिस्से के बराबर होता है। ताकत, तापीय और विद्युत चालकता उनके गुणों की सूची में शामिल हैं। CO2 से कार्बन निकालना और इसे बारीक-पैमाने की संरचनाओं में इकट्ठा करना आसान नहीं है। गर्मी पर निर्भर एक प्रक्रिया 1,000 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान की मांग करती है।

“बड़े पैमाने पर कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन को कम करना बेहद अव्यावहारिक है। इसके विपरीत, हमने एक ऐसी प्रक्रिया खोजी है जो लगभग 400 डिग्री सेल्सियस तापमान पर हो सकती है, जो कि कहीं अधिक व्यावहारिक और औद्योगिक रूप से प्राप्त करने योग्य तापमान है,” प्रोफेसर चेन ने आगे कहा।

अग्रानुक्रम 2-चरण

2 अलग-अलग प्रकार के उत्प्रेरक का उपयोग करके प्रतिक्रिया को 2 चरणों में विभाजित किया गया। इससे अणुओं को संगठित होने और प्रतिक्रिया करने में आसानी होती है।

इस शोध पत्र के प्रमुख लेखक और ब्रुकहेवन लैब और कोलंबिया के शोध वैज्ञानिक झेनहुआ ​​शी ने कहा, "यदि आप प्रतिक्रिया को कई उप-प्रतिक्रिया चरणों में विभाजित करते हैं, तो आप प्रतिक्रिया के प्रत्येक भाग को कार्य करने के लिए विभिन्न प्रकार के ऊर्जा इनपुट और उत्प्रेरकों का उपयोग करने पर विचार कर सकते हैं।"

चरण 1

वैज्ञानिकों ने पाया कि कार्बन नैनोफाइबर (CNF) के उत्पादन के लिए कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) को प्रारंभिक सामग्री के रूप में उपयोग करना CO2 का उपयोग करने की तुलना में अधिक प्रभावी है। इसके बाद उन्होंने CO2 से CO उत्पन्न करने की सबसे कुशल विधि निर्धारित करने के लिए पुनः शोध किया। उनके पिछले शोध ने उन्हें कार्बन पर आधारित पैलेडियम से बने व्यावसायिक रूप से उपलब्ध इलेक्ट्रोकैटलिस्ट का उपयोग करने के लिए प्रेरित किया। यह इलेक्ट्रोकैटलिस्ट विद्युत प्रवाह की सहायता से CO2 और जल दोनों को CO और H2 में _{विभाजित कर सकता है।}

चरण 2

इसके बाद, CO2 उत्प्रेरकों से ठोस कार्बन नैनोफाइबर उत्पादन के लिए वैज्ञानिकों ने लौह-कोबाल्ट मिश्रधातु से बने ऊष्मा-सक्रिय थर्मोकैटलिस्ट का उपयोग किया। यह लगभग 400 डिग्री सेल्सियस तापमान पर कार्य करता है, जो CO2 को सीधे CNF में परिवर्तित करने के लिए आवश्यक तापमान से काफी कम है । उन्होंने यह भी पाया कि थोड़ी मात्रा में अतिरिक्त धात्विक कोबाल्ट मिलाने से कार्बन नैनोफाइबर के निर्माण में काफी वृद्धि होती है।

प्रोफेसर चेन ने कहा, "इलेक्ट्रोकैटलिसिस और थर्मोकैटलिसिस को मिलाकर, हम इस संयुक्त प्रक्रिया का उपयोग उन चीजों को प्राप्त करने के लिए कर रहे हैं जो अकेले किसी भी प्रक्रिया द्वारा प्राप्त नहीं की जा सकती हैं।"

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उत्प्रेरक जांच

वैज्ञानिकों ने इन उत्प्रेरकों की कार्यप्रणाली को समझने के लिए विभिन्न प्रयोग किए। मॉडलिंग के संदर्भ में, वैज्ञानिकों ने विभिन्न रासायनिक अंतःक्रियाओं के तहत उत्प्रेरकों की परमाणु संरचनाओं और अन्य गुणों की जांच करने के लिए घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) गणनाओं का उपयोग किया । एनएसएलएस-II में किए गए एक्स-रे प्रयोगों के माध्यम से अभिक्रियाओं के दौरान उत्प्रेरकों के भौतिक और रासायनिक परिवर्तनों की निगरानी की गई।

ब्रुकहेवन के रसायन विज्ञान विभाग के सह-लेखक और गणनाओं के प्रमुख पिंग लियू ने कहा, “हम अभिक्रिया की परिस्थितियों में उत्प्रेरक की स्थिर अवस्थाओं का पता लगाने के लिए संरचनाओं का अध्ययन कर रहे हैं। हम सक्रिय स्थलों और इन स्थलों के अभिक्रिया मध्यवर्ती पदार्थों के साथ बंधन का अध्ययन कर रहे हैं। एक चरण से दूसरे चरण तक की बाधाओं, या संक्रमण अवस्थाओं का निर्धारण करके, हम यह जान पाते हैं कि अभिक्रिया के दौरान उत्प्रेरक वास्तव में कैसे कार्य कर रहा है।”

"दूसरे चरण के लिए, हम यह जानना चाहते थे कि प्रतिक्रिया की स्थितियों के तहत आयरन-कोबाल्ट प्रणाली की संरचना क्या है और आयरन-कोबाल्ट उत्प्रेरक को कैसे अनुकूलित किया जाए," ज़ी ने आगे कहा।

एक्स-रे प्रयोगों ने लोहे और कोबाल्ट के मिश्रधातु की उपस्थिति की पुष्टि की। इससे कुछ अतिरिक्त धात्विक कोबाल्ट भी दिखाई दिया, जो कार्बन मोनोऑक्साइड को कार्बन नैनोफाइबर में परिवर्तित करने के लिए आवश्यक है। लियू के अनुसार, “ये दोनों क्रमिक रूप से एक साथ काम करते हैं। हमारे अध्ययन के अनुसार, मिश्रधातु में कोबाल्ट-लोहे के स्थल कार्बन मोनोऑक्साइड के CO बंधों को तोड़ने में मदद करते हैं। इससे परमाणु कार्बन कार्बन नैनोफाइबर के निर्माण के लिए स्रोत के रूप में उपलब्ध हो जाता है। फिर अतिरिक्त कोबाल्ट कार्बन परमाणुओं को जोड़ने वाले CC बंधों के निर्माण को सुगम बनाने के लिए मौजूद होता है।”

पर्यावरण के अनुकूल और कार्बन-तटस्थ

सीएफएन के वैज्ञानिक और अध्ययन के सह-लेखक सू येओन ह्वांग ने कहा, "सीएफएन में किए गए ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) विश्लेषण से उत्प्रेरक की उपस्थिति और अनुपस्थिति दोनों स्थितियों में कार्बन नैनोफाइबर के भीतर की आकृति विज्ञान, क्रिस्टल संरचना और मौलिक वितरण का पता चला।"

प्रोफेसर चेन के अनुसार, “चित्रों से पता चलता है कि जैसे-जैसे कार्बन नैनोफाइबर बढ़ते हैं, उत्प्रेरक सतह से ऊपर और दूर धकेल दिया जाता है। इससे उत्प्रेरक धातु का पुनर्चक्रण आसान हो जाता है। हम कार्बन नैनोफाइबर को नष्ट किए बिना धातु को निकालने के लिए अम्ल का उपयोग करते हैं, जिससे हम धातुओं को केंद्रित कर सकते हैं और उन्हें पुनर्चक्रित करके फिर से उत्प्रेरक के रूप में उपयोग कर सकते हैं।”

निम्नलिखित कारणों से यह प्रक्रिया लागत प्रभावी है :

• उत्प्रेरक की आसानी रीसाइक्लिंग
• उत्प्रेरकों की व्यावसायिक उपलब्धता
• दूसरी प्रतिक्रिया के लिए अपेक्षाकृत हल्की प्रतिक्रिया स्थितियाँ

"व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए, दोनों ही बहुत महत्वपूर्ण हैं: CO2 पदचिह्न विश्लेषण और उत्प्रेरक की पुनर्चक्रणीयता। हमारे तकनीकी परिणाम और ये अन्य विश्लेषण दर्शाते हैं कि यह संयुक्त रणनीति CO2 को मूल्यवान ठोस कार्बन उत्पादों में परिवर्तित करने का एक रास्ता खोलती है, जबकि अक्षय H₂ का उत्पादन करती है," प्रो. चेन ने कहा।

यदि CO2 उत्प्रेरकों से ठोस कार्बन नैनोफाइबर का उत्पादन नवीकरणीय संसाधनों द्वारा संचालित किया जाता है, तो यह वास्तव में कार्बन तटस्थ होगा । इससे CO2 उत्सर्जन को कम करने के नए अवसर खुलेंगे।

स्रोत : उत्प्रेरक संयोजन CO2 को ठोस कार्बन नैनोफाइबर में परिवर्तित करता है