Insight into Ca doping effects on Ni/Mg/Al hydrotalcite‑derived catalysts for methane dry reforming: Performance and carbon deposition

वायुमंडल दो गैसों के साथ घना होता जा रहा है जो गर्मी को रोकती हैं: मीथेन और कार्बन डाइऑक्साइड। दोनों ही जलवायु परिवर्तन के शक्तिशाली चालक हैं, फिर भी वे उपयोगी संसाधनों के रूप में प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हैं। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इन ग्रीनहाउस गैसों को किसी उपयोगी चीज़ में बदलने का तरीका खोजा है, विशेष रूप से हाइड्रोजन और कार्बन मोनोऑक्साइड के मिश्रण में जिसे सिनगैस (syngas) कहा जाता है। यह ईंधन मिश्रण इंजनों को शक्ति दे सकता है या प्लास्टिक और अन्य रसायनों को बनाने के लिए एक आधार के रूप में कार्य कर सकता है। इस परिवर्तन को प्राप्त करने की प्रक्रिया को 'ड्राई रिफॉर्मिंग' (dry reforming) कहा जाता है। इसमें मीथेन और कार्बन डाइऑक्साइड को तब तक गर्म किया जाता है जब तक कि वे टूटकर पुनर्संयोजित न हो जाएं। हालांकि, इस प्रतिक्रिया को बनाए रखना कठिन है। उत्प्रेरक (catalysts)—वे सामग्रियां जो स्वयं उपभोग हुए बिना रासायनिक प्रतिक्रिया की गति बढ़ा देती हैं—अक्सर जल्दी विफल हो जाते हैं। वे कार्बन जमाव से अवरुद्ध होने लगते हैं, जो अनिवार्य रूप से उन्हीं गैसों से घुटने जैसा है जिन्हें वे संसाधित करने की कोशिश कर रहे हैं, या उनके भीतर के सूक्ष्म धातु कण आपस में जुड़कर अपनी कार्य करने की क्षमता खो देते हैं।

चीन के ताइयुआन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम इस 'घुटने' वाली समस्या को हल करने पर काम कर रही है। उन्होंने निकल, मैग्नीशियम और एल्युमीनियम से बने एक विशिष्ट प्रकार के उत्प्रेरक पर ध्यान केंद्रित किया, जो हाइड्रोतालसाइट नामक खनिज संरचना से प्राप्त होते हैं। जबकि निकल मीथेन को तोड़ने में सस्ता और प्रभावी है, यह उसी क्लम्पिंग (गुच्छे बनने) और कार्बन जमाव की समस्या के प्रति संवेदनशील है जो इस प्रक्रिया को खराब कर देती है। शोधकर्ताओं ने सोचा कि क्या कैल्शियम की एक छोटी मात्रा, जो एक सामान्य क्षारीय मृदा धातु है, उत्प्रेरक को स्थिर कर सकती है। उन्होंने इन निकल-आधारित सामग्रियों की एक श्रृंखला बनाई, जिसमें कैल्शियम की अलग-अलग मात्रा थी, और यह देखने के लिए उन्हें एक नियंत्रित वातावरण में परखा कि कौन सा फॉर्मूलेशन लंबे समय तक सुचारू रूप से प्रतिक्रिया को चला सकता है।

टीम ने कैल्शियम की मात्रा के आधार पर चार अलग-अलग संस्करण तैयार किए, जिन्हें शून्य, चार, आठ और बारह प्रतिशत भार द्वारा लेबल किया गया। उन्होंने धातु लवणों को पानी में मिलाया, उन्हें एक ठोस में अवक्षेपित (precipitated) किया, और फिर अंतिम छिद्रयुक्त सामग्री बनाने के लिए उन्हें उच्च तापमान पर गर्म किया। अपनी स्थायित्व को परखने के लिए, उन्होंने इन उत्प्रेरकों को एक रिएक्टर में रखा और 750 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर मीथेन और कार्बन डाइऑक्साइड की एक निरंतर धारा के संपर्क में लाया। लक्ष्य 36 घंटों के लिए प्रतिक्रिया चलाना था, जो एक महत्वपूर्ण अवधि है जो यह प्रकट करेगी कि क्या ये सामग्रियां बिना प्रभावशीलता खोए कठोर परिस्थितियों का सामना कर सकती हैं।

परिणामों ने चार नमूनों में से एक स्पष्ट विजेता दिखाया। आठ प्रतिशत कैल्शियम वाला उत्प्रेरक, जिसे शोधकर्ताओं ने HTCa8 कहा, हर मामले में दूसरों से बेहतर रहा। इसने सिनगैस में मीथेन का 88 प्रतिशत और कार्बन डाइऑक्साइड का 91 प्रतिशत परिवर्तित किया, और पूरे 36 घंटे के परीक्षण के दौरान इन उच्च स्तरों को बनाए रखा। इसके विपरीत, बिना कैल्शियम वाले उत्प्रेरक को संघर्ष करना पड़ा, जिसने केवल 74 प्रतिशत मीथेन को परिवर्तित किया, जबकि बारह प्रतिशत की उच्चतम कैल्शियम सामग्री वाले उत्प्रेरक के प्रदर्शन में भी गिरावट आई। शोधकर्ताओं ने पाया कि आठ प्रतिशत का समावेश एक 'स्वीट स्पॉट' (सही संतुलन) था। इसने एक ऐसी सामग्री बनाई जिसका आंतरिक सतह क्षेत्र बहुत विशाल था, जो सूक्ष्म छिद्रों से भरा था जिससे गैसें स्वतंत्र रूप से बह सकती थीं और सक्रिय निकल साइटों तक पहुँच सकती थीं। इस संरचना ने निकल कणों को आपस में जुड़ने से रोका, जिससे वे छोटे और अत्यधिक बिखरे हुए रहे।

जब शोधकर्ताओं ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे उपयोग किए गए उत्प्रेरकों का परीक्षण किया, तो कार्बन को संभालने के तरीके में अंतर स्पष्ट हो गया। बिना कैल्शियम वाले उत्प्रेरक और बहुत अधिक कैल्शियम वाले उत्प्रेरक दोनों ही गंभीर कार्बन जमाव से ग्रस्त थे। कार्बन के लंबे, धागे जैसे रेशे निकल कणों के चारों ओर लिपटे हुए थे, जिससे उनकी गतिविधि बाधित हुई और वे बड़े, कम प्रभावी गुच्छों में विलीन हो गए। हालांकि, आठ प्रतिशत कैल्शियम वाले उत्प्रेरक ने एक अलग कहानी सुनाई। इसने कुल मिलाकर बहुत कम कार्बन उत्पन्न किया। जो थोड़ा बहुत कार्बन बना, वह अन्य नमूनों में देखे गए लंबे, हानिकारक रेशों के बजाय छोटे, ट्यूब जैसी संरचनाओं के रूप में दिखाई दिया। ये ट्यूब उत्प्रेरक को अवरुद्ध करने या सक्रिय साइटों को ढकने की कम संभावना रखते थे। इसके अलावा, HTCa8 नमूने पर जो कार्बन बना, उसे जलाना आसान था, जो बताता है कि यह अन्य नमूनों में पाए जाने वाले जिद्दी, ग्रेफाइटिक कार्बन की तुलना में एक नरम, कम स्थिर प्रकार का कार्बन था।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि कैल्शियम ने सामग्री की आंतरिक रसायन विज्ञान को कैसे बदला। प्रतिक्रिया से पहले, कैल्शियम ने निकल और आसपास की सहायक सामग्री के बीच एक मजबूत बंधन बनाने में मदद की। इस बंधन ने एक लंगर (anchor) की तरह कार्य किया, जो निकल कणों को उनके स्थान पर बनाए रखता है और उच्च तापमान पर उन्हें इधर-उधर घूमने और आपस में मिलने से रोकता है। जब कैल्शियम की मात्रा बहुत कम थी, तो यह लंगर कमजोर था, और कण स्वतंत्र रूप रूप से घूमकर गुच्छे बनाने लगे। जब कैल्शियम की मात्रा बहुत अधिक थी, तो इसने सामग्री की संरचना को ही बाधित करना शुरू कर दिया, जिससे बड़े कण और कम प्रदर्शन हुआ। आठ प्रतिशत के स्तर ने संरचना को प्रभावित किए बिना, सहायता को मजबूत करने और कार्बन डाइऑक्साइड के साथ सामग्री के अंतःक्रिया को सुधारने के लिए पर्याप्त कैल्शियम प्रदान किया।

अंत में, अनुसंधान ने प्रदर्शित किया कि कैल्शियम की एक सटीक मात्रा एक मानक निकल उत्प्रेरक को ग्रीनहाउस गैसों को साफ करने के लिए एक अत्यधिक स्थिर और कुशल उपकरण में बदल सकती है। HTCa8 उत्प्रेरक ने न केवल कठोर परिस्थितियों का सामना किया; बल्कि वह फला-फूला भी, उच्च रूपांतरण दरों को बनाए रखा और उस कार्बन जमाव का विरोध किया जो आमतौर पर ऐसी प्रतिक्रियाओं को समय से पहले समाप्त कर देता है। सामग्री की संरचना को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि ऐसे उत्प्रेरक डिजाइन करना संभव है जो सक्रिय और टिकाऊ दोनों हों, जो दुनिया की दो सबसे समस्याग्रस्त गैसों को एक मूल्यवान ऊर्जा स्रोत में बदलने की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं। यह कार्य सुझाव देता है कि सफलता की कुंजी यथासंभव अधिक प्रमोटर जोड़ने में नहीं, बल्कि उस सटीक संतुलन को खोजने में है जो सामग्री की संरचना और उसकी निष्क्रियता के प्रतिरोध को अनुकूलित करता है।