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कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) पृथ्वी पर जीवन के लिए एक आवश्यक संसाधन होने के साथ-साथ एक ग्रीनहाउस गैस भी है जो वैश्विक तापमान वृद्धि में योगदान करती है। आज, वैज्ञानिक नवीकरणीय, कम कार्बन वाले ईंधन और उच्च मूल्य वाले रासायनिक उत्पादों के उत्पादन के लिए एक आशाजनक संसाधन के रूप में कार्बन डाइऑक्साइड का अध्ययन कर रहे हैं।
शोधकर्ताओं के सामने चुनौती यह है कि कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बन मोनोऑक्साइड, मेथनॉल या फॉर्मिक एसिड जैसे उच्च गुणवत्ता वाले कार्बन मध्यवर्ती पदार्थों में परिवर्तित करने के कुशल और लागत प्रभावी तरीके खोजे जाएं।
नेशनल रिन्यूएबल एनर्जी लेबोरेटरी (एनआरईएल) के के.के. न्यूरलिन के नेतृत्व में और आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी और ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के सहयोगियों के साथ एक शोध दल ने इस समस्या का एक आशाजनक समाधान खोज निकाला है। टीम ने नवीकरणीय बिजली का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड से फॉर्मिक एसिड बनाने की एक रूपांतरण विधि विकसित की है, जो उच्च ऊर्जा दक्षता और स्थायित्व प्रदान करती है।
"कार्बन डाइऑक्साइड को फॉर्मिक एसिड में कुशलतापूर्वक विद्युत रासायनिक रूप से परिवर्तित करने के लिए स्केलेबल मेम्ब्रेन इलेक्ट्रोड असेंबली आर्किटेक्चर" शीर्षक वाला यह अध्ययन नेचर कम्युनिकेशंस नामक पत्रिका में प्रकाशित हुआ था।
फॉर्मिक अम्ल एक संभावित रासायनिक मध्यवर्ती है जिसके अनुप्रयोगों की व्यापक श्रृंखला है, विशेष रूप से रासायनिक या जैविक उद्योगों में कच्चे माल के रूप में। फॉर्मिक अम्ल को स्वच्छ विमानन ईंधन में जैव-शोधन के लिए एक फीडस्टॉक के रूप में भी पहचाना गया है।
जब इलेक्ट्रोलाइटिक सेल पर विद्युत विभव लगाया जाता है, तो CO2 के विद्युत अपचयन के परिणामस्वरूप CO2 का रासायनिक मध्यवर्ती जैसे फॉर्मिक एसिड या एथिलीन जैसे अणुओं में अपचयन होता है।
इलेक्ट्रोलाइज़र में झिल्ली-इलेक्ट्रोड असेंबली (एमईए) में आमतौर पर एक आयन-संचालन झिल्ली (केटायन या एनायन एक्सचेंज झिल्ली) होती है जो दो इलेक्ट्रोड के बीच सैंडविच की तरह लगी होती है, जिनमें एक इलेक्ट्रोकैटलिस्ट और एक आयन-संचालन पॉलिमर होता है।
टीम ने ईंधन सेल प्रौद्योगिकियों और हाइड्रोजन इलेक्ट्रोलाइसिस में अपनी विशेषज्ञता का उपयोग करते हुए, CO2 के इलेक्ट्रोकेमिकल अपचयन से फॉर्मिक एसिड बनने की तुलना करने के लिए इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में कई MEA विन्यासों का अध्ययन किया।
विभिन्न डिज़ाइनों के विफलता विश्लेषण के आधार पर, टीम ने मौजूदा सामग्री सेटों की सीमाओं, विशेष रूप से वर्तमान आयन एक्सचेंज झिल्लियों में आयन अस्वीकृति की कमी का फायदा उठाने और समग्र सिस्टम डिज़ाइन को सरल बनाने की कोशिश की।
एनआरईएल के केएस नीरलिन और लीमिंग हू द्वारा किया गया आविष्कार एक उन्नत एमईए इलेक्ट्रोलाइज़र था जिसमें एक नई छिद्रित धनायन विनिमय झिल्ली का उपयोग किया गया था। यह छिद्रित झिल्ली लगातार और अत्यधिक चयनात्मक फॉर्मिक एसिड उत्पादन प्रदान करती है और आसानी से उपलब्ध घटकों का उपयोग करके डिज़ाइन को सरल बनाती है।
“इस अध्ययन के परिणाम फॉर्मिक एसिड जैसे कार्बनिक अम्लों के विद्युत रासायनिक उत्पादन में एक क्रांतिकारी बदलाव का प्रतिनिधित्व करते हैं,” सह-लेखक नीरलिन ने कहा। “छिद्रित झिल्ली संरचना पिछले डिज़ाइनों की जटिलता को कम करती है और इसका उपयोग अन्य विद्युत रासायनिक कार्बन डाइऑक्साइड रूपांतरण उपकरणों की ऊर्जा दक्षता और स्थायित्व को बेहतर बनाने के लिए भी किया जा सकता है।”
किसी भी वैज्ञानिक सफलता की तरह, लागत कारकों और आर्थिक व्यवहार्यता को समझना महत्वपूर्ण है। विभिन्न विभागों के साथ मिलकर काम करते हुए, एनआरईएल के शोधकर्ताओं झे हुआंग और ताओ लिंग ने एक तकनीकी-आर्थिक विश्लेषण प्रस्तुत किया, जिसमें नवीकरणीय बिजली की लागत 2.3 सेंट प्रति किलोवाट-घंटे या उससे कम होने पर आज की औद्योगिक फॉर्मिक एसिड उत्पादन प्रक्रियाओं के साथ लागत समानता प्राप्त करने के तरीकों की पहचान की गई।
"टीम ने व्यावसायिक रूप से उपलब्ध उत्प्रेरकों और पॉलिमर झिल्ली सामग्रियों का उपयोग करते हुए ये परिणाम हासिल किए, साथ ही एक ऐसा एमईए डिज़ाइन बनाया जो आधुनिक ईंधन सेल और हाइड्रोजन इलेक्ट्रोलाइसिस संयंत्रों की स्केलेबिलिटी का लाभ उठाता है," नीरलिन ने कहा।
"इस शोध के परिणाम नवीकरणीय बिजली और हाइड्रोजन का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड को ईंधन और रसायनों में परिवर्तित करने में मदद कर सकते हैं, जिससे बड़े पैमाने पर उत्पादन और व्यावसायीकरण की दिशा में संक्रमण को गति मिलेगी।"
विद्युत रासायनिक रूपांतरण प्रौद्योगिकियां एनआरईएल के इलेक्ट्रॉन्स टू मॉलिक्यूल्स कार्यक्रम का एक मुख्य तत्व हैं, जो विद्युत चालित प्रक्रियाओं के लिए अगली पीढ़ी के नवीकरणीय हाइड्रोजन, शून्य ईंधन, रसायन और सामग्रियों पर केंद्रित है।
“हमारा कार्यक्रम नवीकरणीय बिजली का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड और पानी जैसे अणुओं को ऐसे यौगिकों में परिवर्तित करने के तरीकों की खोज कर रहा है जो ऊर्जा स्रोतों के रूप में काम कर सकें,” एनआरईएल के ईंधन उत्पादन या रसायनों के लिए इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण और/या अग्रदूत रणनीति के निदेशक रैंडी कॉर्टराइट ने कहा।
"यह विद्युतरासायनिक रूपांतरण अनुसंधान एक ऐसी सफलता प्रदान करता है जिसका उपयोग कई विद्युतरासायनिक रूपांतरण प्रक्रियाओं में किया जा सकता है, और हम इस समूह से और अधिक आशाजनक परिणामों की प्रतीक्षा कर रहे हैं।"
अधिक जानकारी के लिए देखें: लेइमिंग हू एट अल., CO2 को फॉर्मिक एसिड में कुशलतापूर्वक विद्युत रासायनिक रूप से परिवर्तित करने के लिए स्केलेबल मेम्ब्रेन इलेक्ट्रोड असेंबली आर्किटेक्चर, नेचर कम्युनिकेशंस (2023)। DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
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