मिट्टी में व्यापक रूप से पाया जाने वाला एक खनिज, α-आयरन-(III) ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड, कार्बन डाइऑक्साइड के फोटोरिडक्शन द्वारा फॉर्मिक एसिड के निर्माण के लिए एक पुनर्चक्रणीय उत्प्रेरक पाया गया। क्रेडिट: प्रोफेसर काज़ुहिको माएदा
कार्बन डाइऑक्साइड को फोटोरिडक्शन द्वारा फॉर्मिक एसिड (एचसीओओएच) जैसे परिवहन योग्य ईंधन में परिवर्तित करना वायुमंडल में बढ़ते कार्बन डाइऑक्साइड के स्तर से निपटने का एक अच्छा तरीका है। इस कार्य में सहायता के लिए, टोक्यो इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी की एक शोध टीम ने आसानी से उपलब्ध लौह-आधारित खनिज का चयन किया और इसे एल्यूमिना सपोर्ट पर लोड करके एक उत्प्रेरक विकसित किया जो लगभग 90% चयनात्मकता के साथ कार्बन डाइऑक्साइड को एचसीओओएच में कुशलतापूर्वक परिवर्तित कर सकता है!
इलेक्ट्रिक वाहन कई लोगों के लिए एक आकर्षक विकल्प हैं, और इसका एक मुख्य कारण यह है कि इनसे कार्बन उत्सर्जन नहीं होता है। हालांकि, कई लोगों के लिए एक बड़ी कमी इनकी सीमित रेंज और लंबे चार्जिंग समय हैं। यहीं पर गैसोलीन जैसे तरल ईंधन का बड़ा लाभ मिलता है। इनकी उच्च ऊर्जा घनत्व का मतलब है लंबी रेंज और त्वरित ईंधन भरना।
पेट्रोल या डीजल से किसी अन्य तरल ईंधन पर स्विच करने से तरल ईंधन के लाभों को बनाए रखते हुए कार्बन उत्सर्जन को समाप्त किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक ईंधन सेल में, फॉर्मिक एसिड पानी और कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ते हुए इंजन को शक्ति प्रदान कर सकता है। हालांकि, यदि फॉर्मिक एसिड वायुमंडलीय CO2 को HCOOH में अपचयित करके उत्पादित किया जाता है, तो एकमात्र शुद्ध आउटपुट पानी होता है।
हमारे वायुमंडल में कार्बन डाइऑक्साइड के बढ़ते स्तर और वैश्विक तापवृद्धि में इसके योगदान के बारे में अब आम खबरें हैं। शोधकर्ताओं ने इस समस्या के विभिन्न समाधानों पर प्रयोग करते हुए एक प्रभावी हल निकाला - वायुमंडल में मौजूद अतिरिक्त कार्बन डाइऑक्साइड को ऊर्जा से भरपूर रसायनों में परिवर्तित करना।
सूर्य के प्रकाश में CO2 के प्रकाश अपचयन द्वारा फॉर्मिक अम्ल (HCOOH) जैसे ईंधनों के उत्पादन ने हाल ही में काफी ध्यान आकर्षित किया है क्योंकि इस प्रक्रिया के दोहरे लाभ हैं: यह अतिरिक्त CO2 उत्सर्जन को कम करता है और साथ ही वर्तमान में हम जिस ऊर्जा की कमी का सामना कर रहे हैं, उसे कम करने में भी मदद करता है। उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ हाइड्रोजन के लिए एक उत्कृष्ट वाहक होने के नाते, HCOOH दहन के माध्यम से ऊर्जा प्रदान कर सकता है जबकि उप-उत्पाद के रूप में केवल जल उत्सर्जित करता है।
इस लाभदायक समाधान को साकार करने के लिए, वैज्ञानिकों ने ऐसे फोटोकैटलिटिक सिस्टम विकसित किए हैं जो सूर्य के प्रकाश की सहायता से कार्बन डाइऑक्साइड को कम करते हैं। इस सिस्टम में एक प्रकाश-अवशोषित सब्सट्रेट (यानी, एक फोटोसेंसिटाइज़र) और एक उत्प्रेरक होता है जो CO2 को HCOOH में अपचयित करने के लिए आवश्यक कई इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को सक्षम बनाता है। और इस प्रकार उपयुक्त और कुशल उत्प्रेरकों की खोज शुरू हुई!
सामान्य रूप से उपयोग किए जाने वाले यौगिकों का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड के फोटोकैटलिटिक अपचयन का इन्फोग्राफिक्स। क्रेडिट: प्रोफेसर काज़ुहिको माएदा
अपनी दक्षता और पुनर्चक्रण क्षमता के कारण, ठोस उत्प्रेरकों को इस कार्य के लिए सर्वोत्तम विकल्प माना जाता है, और वर्षों से कोबाल्ट, मैंगनीज, निकेल और लौह-आधारित कई धातु-कार्बनिक ढाँचों (एमओएफ) की उत्प्रेरक क्षमताओं का अध्ययन किया गया है, जिनमें से एमओएफ अन्य धातुओं की तुलना में कुछ लाभ प्रदान करता है। हालाँकि, अब तक रिपोर्ट किए गए अधिकांश लौह-आधारित उत्प्रेरक मुख्य उत्पाद के रूप में केवल कार्बन मोनोऑक्साइड का उत्पादन करते हैं, न कि HCOOH का।
हालांकि, टोक्यो इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (टोक्यो टेक) के प्रोफेसर काज़ुहिको माएदा के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या का शीघ्र ही समाधान कर दिया। रासायनिक पत्रिका एंगवांड्टे केमी में प्रकाशित एक हालिया अध्ययन में, टीम ने α-आयरन(III) ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड (α-FeO₂OH; जियोथाइट) का उपयोग करके एल्यूमिना (Al₂O₃) समर्थित लौह-आधारित उत्प्रेरक का प्रदर्शन किया। यह नया α-FeO₂OH/Al₂O₃ उत्प्रेरक CO₂ को HCOOH में परिवर्तित करने में उत्कृष्ट प्रदर्शन और उत्कृष्ट पुनर्चक्रण क्षमता दर्शाता है। उत्प्रेरक के चयन के बारे में पूछे जाने पर, प्रोफेसर माएदा ने कहा: “हम CO₂ फोटोरिडक्शन सिस्टम में उत्प्रेरक के रूप में अधिक प्रचुर मात्रा में पाए जाने वाले तत्वों का पता लगाना चाहते हैं। हमें एक ठोस उत्प्रेरक की आवश्यकता है जो सक्रिय, पुनर्चक्रण योग्य, गैर-विषाक्त और सस्ता हो। इसलिए हमने अपने प्रयोगों के लिए जियोथाइट जैसे व्यापक रूप से वितरित मृदा खनिजों को चुना।”
टीम ने अपने उत्प्रेरक को संश्लेषित करने के लिए एक सरल संसेचन विधि का उपयोग किया। फिर उन्होंने लौह-समर्थित Al2O3 सामग्रियों का उपयोग करके, रुथेनियम-आधारित (Ru) फोटोसेंसिटाइज़र, इलेक्ट्रॉन दाता और 400 नैनोमीटर से अधिक तरंग दैर्ध्य वाले दृश्य प्रकाश की उपस्थिति में कमरे के तापमान पर CO2 को फोटोकैटलिटिक रूप से कम किया।
परिणाम बेहद उत्साहजनक हैं। मुख्य उत्पाद HCOOH के लिए उनकी प्रणाली की चयनात्मकता 80-90% थी, जिसमें क्वांटम उपज 4.3% थी (जो प्रणाली की दक्षता को दर्शाती है)।
यह अध्ययन एक अद्वितीय लौह-आधारित ठोस उत्प्रेरक प्रस्तुत करता है जो एक कुशल फोटोसेंसिटाइज़र के साथ मिलकर HCOOH उत्पन्न कर सकता है। इसमें उचित सहायक सामग्री (Al2O3) के महत्व और प्रकाश रासायनिक अपचयन अभिक्रिया पर इसके प्रभाव पर भी चर्चा की गई है।
इस शोध से प्राप्त अंतर्दृष्टि कार्बन डाइऑक्साइड के फोटोरिडक्शन द्वारा अन्य उपयोगी रसायनों के निर्माण के लिए नए नोबल मेटल-मुक्त उत्प्रेरकों के विकास में सहायक हो सकती है। प्रोफेसर माएदा ने निष्कर्ष निकाला, "हमारा शोध दर्शाता है कि हरित ऊर्जा अर्थव्यवस्था की राह जटिल नहीं है। उत्प्रेरक तैयार करने की सरल विधियाँ भी उत्कृष्ट परिणाम दे सकती हैं, और यह सर्वविदित है कि पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में पाए जाने वाले यौगिक, यदि एल्यूमिना जैसे यौगिकों द्वारा समर्थित हों, तो CO2 अपचयन के लिए चयनात्मक उत्प्रेरक के रूप में उपयोग किए जा सकते हैं।"
सन्दर्भ: "दृश्य प्रकाश के तहत CO2 फोटोरिडक्शन के लिए एक पुनर्नवीनीकरण योग्य ठोस उत्प्रेरक के रूप में एल्यूमिना-समर्थित अल्फा-आयरन (III) ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड" डेहयोन एन, डॉ. शुंटा निशिओका, डॉ. शुहेई यासुदा, डॉ. तोमोकी कनाज़ावा, डॉ. योशिनोबु कामाकुरा, प्रो.. तोशीयुकी योकोई, प्रो. शुनसुके नोज़ावा, प्रो. द्वारा। कज़ुहिको माएदा, 12 मई 2022, एंजवेन्टे केमी.डीओआई: 10.1002/एनी.202204948
"यहीं पर गैसोलीन जैसे तरल ईंधनों का बड़ा फायदा है। उनकी उच्च ऊर्जा घनत्व का मतलब है लंबी दूरी तय करना और जल्दी ईंधन भरना।"
कुछ आंकड़े देखिए? फॉर्मिक एसिड की ऊर्जा घनत्व की तुलना गैसोलीन से कैसे की जा सकती है? रासायनिक सूत्र में केवल एक कार्बन परमाणु होने के कारण, मुझे संदेह है कि यह गैसोलीन के आसपास भी पहुंच पाएगा।
इसके अलावा, इसकी गंध बेहद जहरीली होती है और एक अम्ल होने के नाते यह गैसोलीन से भी अधिक संक्षारक है। ये ऐसी इंजीनियरिंग समस्याएं नहीं हैं जिनका समाधान असंभव हो, लेकिन जब तक फॉर्मिक एसिड रेंज बढ़ाने और बैटरी को फिर से भरने में लगने वाले समय को कम करने में महत्वपूर्ण लाभ प्रदान नहीं करता, तब तक इस पर प्रयास करना शायद व्यर्थ होगा।
यदि वे मिट्टी से गोएथाइट निकालने की योजना बनाते हैं, तो यह एक ऊर्जा-गहन खनन प्रक्रिया होगी और संभावित रूप से पर्यावरण के लिए हानिकारक होगी।
वे मिट्टी में गोएथाइट की अधिक मात्रा का उल्लेख कर सकते हैं क्योंकि मुझे संदेह है कि आवश्यक कच्चे माल प्राप्त करने और गोएथाइट को संश्लेषित करने के लिए उन्हें प्रतिक्रिया कराने में अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होगी।
पूरी प्रक्रिया के जीवन चक्र का विश्लेषण करना और हर चीज की ऊर्जा लागत की गणना करना आवश्यक है। नासा को मुफ्त प्रक्षेपण जैसी कोई चीज नहीं मिली। दूसरों को भी इस बात को ध्यान में रखना चाहिए।
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