Bryophyte-Inspired Gas Diffusion Electrode Reveals Unex-pected CO Formation Kinetics under Dilute CO2

वायुमंडल कार्बन डाइऑक्साइड से भरा हुआ है, एक ऐसी गैस जो गर्मी को रोकती है और ग्रह को गर्म करती है। दशकों से, वैज्ञानिक इस अपशिष्ट गैस को ईंधन या औद्योगिक रसायनों जैसी किसी उपयोगी चीज़ में बदलने के तरीके खोज रहे हैं, जिसमें सूर्य या हवा से प्राप्त बिजली का उपयोग किया जाता है। यह प्रक्रिया, जिसे इलेक्ट्रोकेमिकल रिडक्शन (विद्युत-रासायनिक न्यूनीकरण) कहा जाता है, इसमें कार्बन डाइऑक्साइड युक्त पानी के माध्यम से विद्युत धारा प्रवाहित करके अणुओं को तोड़ने और उन्हें फिर से बनाने की प्रक्रिया शामिल है। चुनौती यह है कि हमारे द्वारा कारखानों और बिजली संयंत्रों से उत्सर्जित वास्तविक कार्बन डाइऑक्साइड शायद ही कभी शुद्ध होती है; यह आमतौर पर नाइट्रोजन और अन्य गैसों की विशाल मात्रा के साथ मिलकर एक पतला मिश्रण होती है। इसे करने के लिए डिज़ाइन किए गए अधिकांश वर्तमान मशीनें इस बात की मांग करती हैं कि कार्बन डाइऑक्साइड को पहले कैप्चर, साफ और केंद्रित किया जाए, जो ऊर्जा और धन की भारी खपत करने वाला चरण है। शोधकर्ताओं ने लंबे समय से यह मान लिया था कि यदि कार्बन डाइऑक्साइड बहुत पतली है, तो प्रतिक्रिया या तो धीमी हो जाएगी या रुक जाएगी, जिससे औद्योगिक उत्सर्जन गैसों का सीधा उपयोग अव्यवहारिक हो जाएगा।

नांजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ एयरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक प्रकार का नया इलेक्ट्रोड बनाकर इस धारणा को चुनौती दी है जो मॉस (काई) की जड़ जैसी संरचनाओं की नकल करता है। उन्होंने पाया कि जब उन्होंने इस उपकरण को केवल दस प्रतिशत कार्बन डाइऑक्साइड वाले मिश्रण से खिलाया, तो प्रतिक्रिया उम्मीद के मुताबिक धीमी नहीं हुई। इसके बजाय, यह तेज हो गई, जिससे कार्बन मोनोऑक्साइड—जो ईंधन और प्लास्टिक बनाने के लिए एक प्रमुख घटक है—शुद्ध कार्बन डाइऑक्साइड की तुलना में अधिक तेजी से उत्पन्न हुई। यह अप्रत्याशित निष्कर्ष बताता है कि जब गैस पतली होती है, तो गैस के बहने और इलेक्ट्रोड की सतह के साथ परस्पर क्रिया करने का तरीका एक लाभकारी तरीके से बदल जाता है, जिससे महंगे शुद्धिकरण चरणों की आवश्यकता के बिना औद्योगिक उत्सर्जन गैसों को सीधे मूल्यवान उत्पादों में बदलने का मार्ग खुल जाता है।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले यह देखना शुरू किया कि गैस इलेक्ट्रोड के सूक्ष्म छिद्रों के माध्यम से कैसे चलती है। मानक उपकरणों में, ये छिद्र एक उलझे हुए, अस्त-व्यस्त नेटवर्क होते हैं, जैसे गिरे हुए पेड़ों का जंगल जहाँ एक गैस अणु को रास्ता खोजने के लिए हर दिशा में टकराना पड़ता है। टीम ने ब्रायोफाइट्स (bryophytes), यानी मॉस के जड़ जैसे बालों (rhizoids) से प्रेरित एक नई संरचना डिजाइन की, जो मिट्टी से पोषक तत्वों को अवशोषित करने में मदद करते हैं। उन्होंने तांबे के तारों की एक परत उगाई जो बिल्कुल सीधी और समानांतर खड़ी थी, जिससे गैस के यात्रा करने के लिए खुले, व्यवस्थित राजमार्गों का एक सेट बन गया। कंप्यूटर सिमुलेशन ने दिखाया कि जबकि एक अव्यवस्थित छिद्र नेटवर्क में गैस अणु एक लंबा, घुमावदार रास्ता लेगा, इन सीधे तांबे के चैनलों में एक अणु सीधे प्रतिक्रिया स्थल तक जा सकता है। जब उन्होंने प्रयोगशाला में इसका परीक्षण किया, तो इन सीधे चैनलों ने कार्बन डाइऑक्साइड को पारंपरिक अव्यवस्थित परतों की तुलना में बहुत तेजी से उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) तक पहुँचाया, भले ही गैस नाइट्रोजन के साथ मिश्रित क्यों न हो।

हालाँकि, गैस की गति केवल आधी कहानी थी। टीम को एक उत्प्रेरक की भी आवश्यकता थी, एक ऐसा पदार्थ जो रासायनिक प्रतिक्रिया को तेज कर सके, जो इस नए वातावरण में कुशलता से काम कर सके। उन्होंने जिंक (जस्ता) को चुना, जो एक सामान्य और सस्ता धातु है, लेकिन उन्हें इसे एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से आकार देने की आवश्यकता थी। तांबे के तारों पर जिंक जमा करने के लिए उपयोग की जाने वाली विद्युत धारा को नियंत्रित करके, उन्होंने दो अलग-अलग प्रकार की सतहें बनाईं। एक सतह, जिसे उन्होंने "शेल" (कवच) कहा, एक चिकनी, एकसमान कोटिंग बनाती है। दूसरी सतह, जिसे उन्होंने "लीफ" (पत्ती) नाम दिया, एक जटिल, स्तरित संरचना में विकसित हुई जो छोटी षट्कोणीय पत्तियों के ढेर जैसी दिखती है। यह पत्ती जैसी संरचना इसलिए बनी क्योंकि विद्युत प्रक्रिया ने धातु की सतह पर एक अत्यधिक क्षारीय, या क्षारीय सूक्ष्म वातावरण बनाया। रसायन विज्ञान के इस स्थानीय परिवर्तन ने जिंक को एक विशिष्ट क्रिस्टल फेस (फलक) में व्यवस्थित होने के लिए मजबूर किया, जिसे (100) फेसट कहा जाता है, जो कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने और उसे कार्बन मोनोऑक्साइड में बदलने में असाधारण रूप से कुशल है।

जब उन्होंने इन नए इलेक्ट्रोडों का परीक्षण किया, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। पत्ती के आकार का जिंक उत्प्रेरक अम्लीय से लेकर अत्यधिक क्षारीय पानी की एक विस्तृत श्रृंखला में अच्छी तरह से काम करता है, और सही उत्पाद चुनने की अपनी क्षमता खोए बिना बहुत उच्च गति पर संचालित हो सकता है। लेकिन सबसे आश्चर्यजनक खोज तब आई जब उन्होंने विभिन्न सांद्रता वाली कार्बन डाइऑक्साइड के साथ उपकरण का परीक्षण किया। पारंपरिक धारणा यह थी कि गैस प्रवाह में कार्बन डाइऑक्साइड जितनी अधिक होगी, प्रतिक्रिया उतनी ही तेज होनी चाहिए। इसके विपरीत, टीम ने पाया कि प्रदर्शन दस प्रतिशत की सांद्रता पर चरम पर पहुँचता है। इस विशिष्ट स्तर पर, यह इलेक्ट्रोड शुद्ध कार्बन डाइऑक्साइड या और अधिक पतले मिश्रणों की तुलना में अधिक तेजी से कार्बन मोनोऑक्साइड का उत्पादन करता है। इसका मतलब है कि प्रतिक्रिया कैनेटीक्स (kinetics)—यानी रासायनिक परिवर्तन की गति और तंत्र—गैर-मोनोटोनिक (non-monotonic) तरीके से व्यवहार कर रही थी, यानी गैस के पतला होने पर भी एक बिंदु तक यह तेज होती जा रही थी।

यह समझने के लिए कि यह क्यों हुआ, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रोड की सतह पर होने वाली रसायन विज्ञान को गहराई से देखा। उन्होंने वास्तविक समय में प्रतिक्रिया को देखने के लिए विशेष तकनीकों का उपयोग किया और पाया कि मुख्य बात केवल कार्बन डाइऑक्साइड नहीं थी, बल्कि धातु की सतह के ठीक बगल में मौजूद पानी के अणु थे। विरल गैस मिश्रण में, पानी के अणु एक विशिष्ट प्रकार का बंधन बनाते हैं, जो सामान्य चार हाइड्रोजन बंधों के बजाय एक-दूसरे को दो हाइड्रोजन बंधों के साथ थामे रखते हैं। ये "दो-बॉन्डेड" पानी के अणु अधिक लचीले और प्रतिक्रियाशील थे। वे कार्बन डाइऑक्साइड के अणु को हाइड्रोजन परमाणु दान करने में बहुत आसानी से सक्षम थे, जिससे प्रतिक्रिया के एक महत्वपूर्ण मध्यवर्ती चरण को बनाने में मदद मिली। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रतिक्रियाशील पानी वह लुप्त कड़ी थी जिसने इस प्रक्रिया को इतने तेजी से आगे बढ़ाने में मदद की। इस विशिष्ट जल संरचना को बनाने के लिए गैस प्रवाह में नाइट्रोजन की उपस्थिति ने भी सहायता की।

इस खोज के निहितार्थ औद्योगिक अपशिष्ट गैसों को संभालने के तरीके के लिए महत्वपूर्ण हैं। चूंकि यह प्रतिक्रिया दस प्रतिशत के मिश्रण के साथ बहुत अच्छी तरह से काम करती है, इसलिए टीम ने दिखाया कि वे एक ही बार में डिवाइस के माध्यम से लगभग सभी कार्बन डाइऑक्साइड को परिवर्तित कर सकते हैं, जिससे ९२ प्रतिशत की रूपांतरण दक्षता प्राप्त होती है। यह प्रदर्शन का एक ऐसा स्तर है जिसके लिए आमतौर पर शुद्ध गैस फीड की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, चूंकि प्रतिक्रिया की गति गैस की सांद्रता के साथ बदलती है, टीम ने प्रदर्शित किया कि वे कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोजन के विभिन्न मिश्रणों को बनाने के लिए अपने डिवाइस के आउटपुट को ट्यून कर सकते हैं। यह लचीलापन सीधे सिनगैस (syngas) का निर्माण करने की अनुमति देता है, जो कई औद्योगिक रसायनों को बनाने के लिए उपयोग किया जाने वाला मिश्रण है, जिससे जटिल डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

शोधकर्ताओं ने अपने उपकरण के स्थायित्व का भी परीक्षण किया। उन्होंने वास्तविक औद्योगिक फ्लू गैस (flue gas) की नकल करने वाले, जिसमें पंद्रह प्रतिशत कार्बन डाइऑक्साइड शामिल थी, का उपयोग करके बीस घंटों से अधिक समय तक निरंतर प्रयोग चलाया। उपकरण ने एक स्थिर आउटपुट बनाए रखा, जिससे सिद्ध हुआ कि पत्ती जैसी संरचना वास्तविक दुनिया के संचालन की कठोर परिस्थितियों में जीवित रह सकती है। हालांकि समय के साथ सतह थोड़ी कम जल-विकर्षक (water-repellent) हो गई, लेकिन समग्र संरचना बरकरार रही और प्रदर्शन में गिरावट न्यूनतम थी। यह सुझाव देता है कि यह दृष्टिकोण संभावित औद्योगिक अनुप्रयोग के लिए पर्याप्त मजबूत है।

यह कार्य वैज्ञानिकों के सोचने के तरीके को बदल देता है कि हम विरल कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग कैसे करें। लंबे समय तक, ध्यान इस बात पर रहा है कि गैस को उपयोग करने के लिए कितना शुद्ध बनाया जाए। यह अध्ययन दिखाता है कि विरलता (dilution) स्वयं एक लाभ हो सकती है, जो एक अनूठा रासायनिक वातावरण बनाती है जो प्रतिक्रिया को तेज करती है। मॉस से प्रेरित परिवहन प्रणाली के साथ एक विशेष रूप से आकार दिए गए जिंक उत्प्रेरक को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक कठिन समस्या—कम सांद्रता वाली गैस—को एक समाधान में बदलने का तरीका खोज लिया है। उन्होंने दिखाया है कि गैस, पानी और धातु के बीच का इंटरफेस एक गतिशील स्थान है जहाँ रसायन विज्ञान के नियमों को फिर से लिखा जा सकता है, जो हवा को साफ करने और उपयोगी सामग्री बनाने के अधिक कुशल और प्रत्यक्ष तरीकों के द्वार खोलता है।