Tailoring Ag–Cu Thin Film Catalysts by Physical Vapor Deposition for Selective CO₂ Electroreduction
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि फिजिकल वेपर डिपोजिशन (PVD) का उपयोग कार्बन क्लॉथ पर ट्यूनेबल Ag–Cu बाइमेटालिक उत्प्रेरकों को बनाने के लिए किया जा सकता है, जहाँ Ag:Cu अनुपात और डिपोजिशन मापदंडों को अनुकूलित करने से CO उत्पादन के लिए 47% फैराडेइक दक्षता के साथ 75:25 का संयोजन प्राप्त होता है, जो कुशल CO₂ इलेक्ट्रोरिडक्शन के लिए एक बहुमुखी रणनीति प्रदान करता है।
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वायुमंडल कार्बन डाइऑक्साइड से भरा है, जो एक ऐसी गैस है जो गर्मी को रोकती है और जलवायु परिवर्तन को बढ़ावा देती है। जबकि प्रकृति लंबे समय से पौधों पर इस गैस को हवा से खींचने के लिए निर्भर रही है, वैज्ञानिक इसे बिजली के साथ करने का एक तरीका खोज रहे हैं। यह प्रक्रिया, जिसे इलेक्ट्रोकेमिकल रिडक्शन (electrochemical reduction) कहा जाता है, नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड को पानी के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए मजबूर करती है, जिससे एक अपशिष्ट उत्पाद को उपयोगी ईंधन या रसायनों में बदल दिया जाता है। चुनौती रसायन विज्ञान में निहित है: कार्बन डाइऑक्साइड एक बहुत ही स्थिर अणु है जो परिवर्तन का विरोध करता है, और जब शोधकर्ता इसे तोड़ने की कोशिश करते हैं, तो यह अक्सर विभिन्न पदार्थों का एक अस्त-व्यस्त मिश्रण बनाता है या वांछित ईंधन बनाने के बजाय केवल हाइड्रोजन गैस बनाता है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों को विशेष सामग्रियों की आवश्यकता होती है जिन्हें उत्प्रेरक (catalysts) कहा जाता है जो प्रतिक्रिया को ठीक से निर्देशित कर सकें ताकि वे बिल्कुल वही बना सकें जो वे चाहते हैं, जैसे कि कार्बन मोनोऑक्साइड, जो सिंथेटिक ईंधन बनाने के लिए एक प्रमुख घटक है, बिना ऊर्जा को अवांछित सह-प्रतिक्रियाओं में बर्बाद किए।
हाल ही में, इटली के नेशनल रिसर्च काउंसिल और यूनिवर्सिटी ऑफ मिलानो-बिकोका के शोधकर्ताओं ने दो सामान्य धातुओं: सिल्वर (चांदी) और कॉपर (तांबा) का उपयोग करके एक नए प्रकार का उत्प्रेरक डिजाइन करके इस समस्या का समाधान किया। वे यह देखना चाहते थे कि क्या वे सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त करने के लिए इन धातुओं को एक पतली परत में मिला सकते हैं। सिल्वर को कार्बन मोनोऑक्साइड बनाने में अच्छा माना जाता है, जबकि कॉपर कार्बन परमाणुओं को आपस में जोड़ने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है, हालांकि यह अक्सर एक साथ बहुत सारे अलग-अलग उत्पाद बना देता है। टीम ने फिजिकल वेपर डिपोजिशन (physical vapor deposition) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो अनिवार्य रूप से वैक्यूम में एक सतह पर धातु के परमाणुओं को छिड़कने का एक तरीका है, ताकि कार्बन क्लॉथ (carbon cloth) को इन धातुओं से लेपित किया जा सके। प्रत्येक धातु को कितनी मात्रा में और कितनी तेजी से छिड़का जाए, इसे सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, उन्होंने सिल्वर और कॉपर के विभिन्न अनुपातों वाली पतली फिल्मों की एक श्रृंखला बनाई। उनका लक्ष्य एक ऐसा आदर्श संतुलन खोजना था जहाँ सामग्री अत्यधिक चयनात्मक हो, जो मुख्य रूप से कार्बन मोनोऑक्साइड का उत्पादन करे और हाइड्रोजन गैस के उत्पादन को न्यूनतम रखे।
शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए शुरुआत की कि धातु की मात्रा जमा करने से उत्प्रेरक के आकार और प्रदर्शन पर क्या प्रभाव पड़ता है। उन्होंने एक निश्चित समय के लिए धातुओं को कार्बन क्लॉथ पर छिड़का लेकिन प्रक्रिया को चलाने के लिए उपयोग किए जाने वाले विद्युत प्रवाह (current) को अलग-अलग रखा। उन्होंने पाया कि कम करंट का उपयोग करने से छोटे, अधिक बिखरे हुए धातु के कण बनते हैं, जबकि उच्च करंट से बड़े गुच्छे बनते हैं जो सतह के अधिक हिस्से को कवर करते हैं। आश्चर्यजनक रूप से, सबसे अधिक धातु भार वाले नमूनों ने सबसे अच्छा प्रदर्शन नहीं किया। इसके बजाय, मध्यम मात्रा में धातु वाले उत्प्रेरकों ने, जिन्हें कम करंट पर जमा किया गया था, बेहतर संतुलन प्रदान किया। इन नमूनों में प्रतिक्रिया होने के लिए पर्याप्त सतह क्षेत्र था, लेकिन उन्होंने उस भीड़भाड़ से भी बचाव किया जो रासायनिक परिवर्तन के लिए आवश्यक सक्रिय साइटों को बाधित करती प्रतीत होती थी। इससे यह संकेत मिला कि केवल अधिक धातु जोड़ना समाधान नहीं था; धातुओं की व्यवस्था और सुलभता कहीं अधिक महत्वपूर्ण थी।
इसके बाद, टीम ने सिल्वर और कॉपर के अनुपात पर ध्यान केंद्रित किया, जिसमें ऐसे मिश्रणों का परीक्षण किया गया जहाँ सिल्वर ने 75 प्रतिशत, 50 प्रतिशत, या 25 प्रतिशत धातु सामग्री बनाई। उन्होंने पाया कि फिल्म की संरचना का उत्प्रेरक द्वारा उत्पादित सामग्री पर सीधा प्रभाव पड़ता है। कॉपर से समृद्ध नमूनों में हाइड्रोजन गैस अधिक उत्पन्न होने की प्रवृत्ति थी, जो एक प्रतिस्पर्धी प्रतिक्रिया है जो ऊर्जा बर्बाद करती है। इसके विपरीत, अधिक सिल्वर वाले नमूने कार्बन मोनोऑक्साइड की ओर प्रतिक्रिया को मोड़ने में बहुत बेहतर थे। सबसे सफल उत्प्रेरक 75 प्रतिशत सिल्वर और 25 प्रतिशत कॉपर वाली फिल्म थी। इस विशिष्ट मिश्रण ने कार्बन मोनोऑक्साइड के लिए 47 प्रतिशत की रूपांतरण दक्षता प्राप्त की, जिसका अर्थ है कि सिस्टम में जाने वाली लगभग आधी विद्युत धारा का उपयोग वांछित गैस बनाने के लिए किया गया। यह प्रदर्शन शुद्ध सिल्वर से बने उत्प्रेरक के समान था, जो दर्शाता है कि द्विधात्विक प्रणाली (bimetallic system) अनुकूलन के लिए एक ट्यूनेबल प्लेटफॉर्म प्रदान करते हुए शुद्ध धातु की दक्षता का मुकाबला कर सकती है।
प्रयोगों के दौरान, शोधकर्ताओं ने उत्प्रेरकों को करीब से देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे उपकरणों का उपयोग किया। उन्होंने पुष्टि की कि सिल्वर और कॉपर के परमाणु कार्बन क्लॉथ पर समान रूप से फैले हुए थे, जिससे वे धातु के अलग-थलग द्वीपों के बजाय एक समान परत बना रहे थे। उन्होंने यह भी देखा कि धातु के परमाणुओं ने एक विशिष्ट प्रकार की मिश्र धातु (alloy) संरचना बनाई, जहाँ दोनों धातुएं परमाणु स्तर पर आपस में मिली हुई थीं। इस संरचना की स्थिरता का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने एक अलग प्रयोग किया जिसमें उन्होंने एक नमूने को गर्म किया; उन्होंने पाया कि मिश्र धातु टूटकर शुद्ध सिल्वर और शुद्ध कॉपर में बदल गई, और प्रदर्शन में काफी गिरावट आई। इसने पुष्टि की कि धातुओं की मिश्रित अवस्था उत्प्रेरक के प्रभावी ढंग से काम करने के लिए आवश्यक थी, क्योंकि अलग-अलग चरण कम सक्रिय थे। अध्ययन ने अन्य संभावित उत्पादों, जैसे तरल एसिड या अल्कोहल की भी जांच की, लेकिन केवल सूक्ष्म मात्रा ही पाई, जो यह संकेत देती है कि प्रतिक्रिया कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोजन के उत्पादन पर बहुत केंद्रित थी।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि संरचना और अनुप्रयोग की विधि को सावधानीपूर्वक ट्यून करके अत्यधिक प्रभावी उत्प्रेरक बनाना संभव है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि फिजिकल वेपर डिपोजिशन का उपयोग करने से धातु लोडिंग और तत्वों के अनुपात पर सटीक नियंत्रण मिलता है, जिससे ऐसी सामग्रियां प्राप्त होती हैं जो कुशल और किफायती दोनों हैं। हालांकि वर्तमान परिणाम उत्साहजनक हैं, लेखक नोट करते हैं कि सुधार की अभी भी गुंजाइश है। कार्बन डाइऑक्साइड गैस का दबाव और प्रतिक्रिया सेल का विशिष्ट सेटअप जैसे कारक प्रदर्शन को और बढ़ा सकते हैं। फिलहाल, यह अध्ययन एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, यह सिद्ध करता है कि सिल्वर और कॉपर का एक सरल, नियंत्रित मिश्रण कार्बन डाइऑक्साइड को एक मूल्यवान रासायनिक निर्माण खंड में बदलने के लिए एक मजबूत मंच के रूप में कार्य कर सकता है।
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