High-Selective CO Production via Carbonate Hydrogenation Mechanism over K-Ni/MgO Catalyst in Low Temperature CO2 Hydrogenation at 350 ℃
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक K-प्रमोटेड Ni/MgO नैनोशीट उत्प्रेरक 350°C पर कार्बोनेट-बाइकार्बोनेट मध्यस्थ मार्ग के माध्यम से अत्यधिक चयनात्मक CO उत्पादन प्राप्त करता है, जो प्रभावी रूप से मेथेनेशन को रोकता है और निम्न-तापमान CO2 हाइड्रोजनीकरण के लिए अधिकांश कीमती-धातु उत्प्रेरकों से बेहतर प्रदर्शन करता है।
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वायुमंडल धीरे-धीरे कार्बन डाइऑक्साइड से भर रहा है, जो एक ऐसी गैस है जो गर्मी को रोकती है और जलवायु परिवर्तन को बढ़ावा देती है। इस अतिरिक्त कार्बन को संभालने का एक आशाजनक तरीका इसे पकड़ना और इसे वापस उपयोगी ईंधन या रसायनों में बदलना है, जो प्रभावी रूप से मानव कार्बन उपयोग के चक्र को पूरा करता है। हालांकि, कार्बन डाइऑक्साइड को किसी और चीज़ में बदलना रासायनिक रूप से कठिन है। यह एक बहुत ही स्थिर अणु है, जिसका अर्थ है कि यह टूटने का विरोध करता है। इसे प्रतिक्रिया करने के लिए, वैज्ञानिकों को इसमें हाइड्रोजन जोड़ना होगा। जब कार्बन डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन मिलते हैं, तो वे विभिन्न पथों का अनुसरण कर सकते हैं। एक पथ मीथेन की ओर ले जाता है, जो एक सरल गैस है जो अच्छी तरह से जलती है लेकिन पहले से ही प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है। दूसरा पथ कार्बन मोनोऑक्साइड की ओर ले जाता है, जो एक ऐसा अणु है जो तरल ईंधन और जटिल रसायन बनाने के लिए एक निर्माण खंड (बिल्डिंग ब्लॉक) के रूप में कार्य करता है। चुनौती यह है कि जो स्थितियाँ एक पथ के पक्ष में होती हैं, वे अक्सर दूसरे के भी पक्ष में होती हैं, और प्रतिक्रिया को मीथेन तक पूरी तरह से जाने से रोकने के बिना कार्बन मोनोऑक्साइड पर रोकना बेहद कठिन है, विशेष रूप से कम तापमान पर जहाँ ऊर्जा का उपयोग कुशल होता है।
ईस्ट चाइना नॉर्मल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने निकल और मैग्नीशियम ऑक्साइड से बने एक उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) का उपयोग करके, जिसमें पोटेशियम की थोड़ी मात्रा मिलाई गई है, इस प्रतिक्रिया को कार्बन मोनोऑक्साइड के पथ की ओर निर्देशित करने का एक तरीका खोजा है। अपने अध्ययन में, उन्होंने दिखाया कि यह विशिष्ट मिश्रण 350 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर उल्लेखनीय सटीकता के साथ कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बन मोनोऑक्साइड में बदल सकता है। जबकि मानक निकल उत्प्रेरक आमतौर पर इन स्थितियों में लगभग पूरी कार्बन डाइऑक्साइड को मीथेन में बदल देते हैं, नए उत्प्रेरक ने 97 प्रतिशत से अधिक की चयनात्मकता (सेलेक्टिविटी) के साथ कार्बन मोनोऑक्साइड का उत्पादन किया। इसका मतलब है कि प्रत्येक सौ प्रतिक्रियाशील कार्बन परमाणुओं में से, 97 से अधिक कार्बन मोनोऑक्साइड बन गए, और तीन से कम मीथेन बने। उत्प्रेरक ने 320 घंटों से अधिक के निरंतर संचालन के लिए भी उच्च प्रदर्शन बनाए रखा, जिससे यह सिद्ध होता है कि यह व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त स्थिर है।
इस सफलता का रहस्य इस बात में निहित है कि पोटेशियम निकल के व्यवहार को कैसे बदलता है। सामान्यतः, निकल ऑक्सीजन युक्त अणुओं को पकड़ने और उनमें चरण दर चरण हाइड्रोजन जोड़ने में बहुत कुशल होता है जब तक कि वे मीथेन न बन जाएं। शोधकर्ताओं ने पाया कि पोटेशियम जोड़ने से एक अलग प्रकार की सतह रसायन विज्ञान (सरफेस केमिस्ट्री) उत्पन्न होती है। पोटेशियम सतह को बहुत क्षारीय (बेसिक) बनाता है, जो इसे कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने और उसे कार्बोनेट प्रजाति के रूप में थामे रखने में मदद करता है। सामान्य मार्ग का अनुसरण करने के बजाय, जो मीथेन की ओर ले जाता है, प्रतिक्रिया एक छोटा रास्ता (शॉर्टकट) लेती है। कार्बोनेट एक बाइकार्बोनेट मध्यवर्ती (इंटरमीडिएट) में बदल जाता है, जो फिर सीधे कार्बन मोनोऑक्साइड और पानी में टूट जाता है। यह नया पथ उन चरणों को दरकिनार कर देता है जो सामान्यतः मीथेन की ओर ले जाते हैं। पोटेशियम निकल की इलेक्ट्रॉनिक प्रकृति को भी बदल देता है, जिससे यह कार्बन मोनोऑक्साइड बनने के बाद उसे छोड़ने के लिए कम उत्सुक रहता है। यह कार्बन मोनोऑक्साइड को सतह से जल्दी बाहर निकलने की अनुमति देता है इससे पहले कि वह मीथेन में बदल जाए।
यह समझने के लिए कि वास्तव में क्या हो रहा था, टीम ने उन्नत उपकरणों के संयोजन का उपयोग किया। उन्होंने वास्तविक समय में इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके प्रतिक्रिया को देखा, जो एक कैमरे की तरह काम करता है जो अणुओं के रासायनिक बंधों के बनने और टूटने को देख सकता है। उन्होंने यह साबित करने के लिए विशेष कार्बन परमाणुओं का भी उपयोग किया जो ट्रेसर के रूप में कार्य करते हैं कि अंतिम उत्पाद में कार्बन सीधे उस कार्बन डाइऑक्साइड गैस से आया है जिसे उन्होंने रिएक्टर में डाला था। इन प्रयोगों ने पुष्टि की कि प्रतिक्रिया पुराने, परिचित पथ का पालन नहीं कर रही थी जो मीथेन बनाने वाले फॉर्मेट (फॉर्मेट इंटरमीडिएट) का निर्माण करता है। इसके बजाय, यह कार्बोनेट और बाइकार्बोनेट प्रजातियों के माध्यम से चक्रित हो रही थी। टीम ने अपने उत्प्रेरक का परीक्षण सोडियम या लिथियम जैसे अन्य क्षारीय धातुओं से संशोधित उत्प्रेरकों के विरुद्ध भी किया। केवल पोटेशियम वाला संस्करण ही मीथेन पथ को पूरी तरह से बंद करने और प्रतिक्रिया को कार्बन मोनोऑक्साइड पर केंद्रित रखने में सक्षम था।
परिणाम बेहतर उत्प्रेरकों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट रणनीति का सुझाव देते हैं। निकल जैसी सस्ती, प्रचुर धातु का उपयोग करके और उसे एक क्षारीय धातु प्रमोटर के साथ संशोधित करके, एक कठिन रासायनिक प्रतिक्रिया को एक विशिष्ट, मूल्यवान उत्पाद की ओर मोड़ना संभव है, जिसके लिए प्लेटिनम या रूथेनियम जैसी महंगी कीमती धातुओं की आवश्यकता नहीं होती है। अध्ययन ने दिखाया कि 350 डिग्री सेल्सियस पर, नया उत्प्रेरक 360.3 मिलीमोल प्रति ग्राम उत्प्रेरक प्रति घंटा की दर से कार्बन मोनोऑक्साइड का उत्पादन कर सकता है, जो एक ऐसा प्रदर्शन है जो इस उद्देश्य के लिए वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले कई महंगे उत्कृष्ट-धातु (नोबल-मेटल) उत्प्रेरकों के बराबर या उससे अधिक है। यह कार्य केवल यह नहीं दिखाता है कि एक नया उत्प्रेरक काम करता है; बल्कि यह बताता है कि यह क्यों काम करता है, जो एक विशिष्ट रासायनिक चक्र को प्रकट करता है जो मीथेन बनाने वाली गहरी हाइड्रोजनीकरण प्रक्रिया से बचता है। यह अंतर्दृष्टि उन इंजीनियरों के लिए एक रोडमैप प्रदान करती है जो कैप्चर की गई कार्बन डाइऑक्साइड को टिकाऊ रासायनिक उद्योग के लिए आवश्यक निर्माण खंडों में कुशलतापूर्वक बदलने वाली प्रणालियों का निर्माण करना चाहते हैं।
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