एमआईटी के रासायनिक इंजीनियरों ने मीथेन, एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस को पकड़ने और इसे पॉलिमर में बदलने का एक तरीका तैयार किया है।
यद्यपि यह कार्बन डाइऑक्साइड की तुलना में कम प्रचुर मात्रा में है, मीथेन गैस ग्लोबल वार्मिंग में असमान रूप से योगदान देती है क्योंकि यह अपनी आणविक संरचना के कारण कार्बन डाइऑक्साइड की तुलना में वातावरण में अधिक गर्मी को रोकती है।
एमआईटी केमिकल इंजीनियरों ने अब एक नया उत्प्रेरक डिजाइन किया है जो मीथेन को उपयोगी पॉलिमर में बदल सकता है, जो ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करने में मदद कर सकता है।
एमआईटी में केमिकल इंजीनियरिंग के कार्बन पी. डब्स प्रोफेसर और अध्ययन के वरिष्ठ लेखक माइकल स्ट्रानो कहते हैं, “मीथेन के साथ क्या किया जाए यह एक लंबे समय से चली आ रही समस्या रही है।” “यह कार्बन का एक स्रोत है, और हम इसे वायुमंडल से बाहर रखना चाहते हैं लेकिन इसे किसी उपयोगी चीज़ में बदलना भी चाहते हैं।”
नया उत्प्रेरक कमरे के तापमान और वायुमंडलीय दबाव पर काम करता है, जिससे बिजली संयंत्रों और मवेशी खलिहानों जैसे मीथेन उत्पादन स्थलों पर तैनात करना आसान और अधिक किफायती हो सकता है।
डैनियल लुंडबर्ग पीएचडी '24 और एमआईटी पोस्टडॉक जिमिन किम अध्ययन के प्रमुख लेखक हैं, जो आज सामने आया है प्रकृति उत्प्रेरण . पूर्व पोस्टडॉक यू-मिंग तू और पोस्टडॉक कोडी रिट भी पेपर के लेखक हैं।
मीथेन पर कब्जा करना
मीथेन का उत्पादन मीथेनोजेन्स नामक बैक्टीरिया द्वारा किया जाता है, जो अक्सर लैंडफिल, दलदल और क्षयकारी बायोमास के अन्य स्थानों में अत्यधिक केंद्रित होते हैं। कृषि मीथेन का एक प्रमुख स्रोत है, और मीथेन गैस प्राकृतिक गैस के परिवहन, भंडारण और जलाने के उपोत्पाद के रूप में भी उत्पन्न होती है। कुल मिलाकर, ऐसा माना जाता है कि यह वैश्विक तापमान में लगभग 15 प्रतिशत वृद्धि के लिए जिम्मेदार है।
आणविक स्तर पर, मीथेन चार हाइड्रोजन परमाणुओं से बंधे एक कार्बन परमाणु से बना है। सिद्धांत रूप में, यह अणु पॉलिमर जैसे उपयोगी उत्पाद बनाने के लिए एक अच्छा बिल्डिंग ब्लॉक होना चाहिए। हालाँकि, मीथेन को अन्य यौगिकों में परिवर्तित करना कठिन साबित हुआ है क्योंकि इसे अन्य अणुओं के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए आमतौर पर उच्च तापमान और उच्च दबाव की आवश्यकता होती है।
ऊर्जा के उस इनपुट के बिना मीथेन रूपांतरण प्राप्त करने के लिए, एमआईटी टीम ने दो घटकों के साथ एक हाइब्रिड उत्प्रेरक डिजाइन किया: एक जिओलाइट और एक प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला एंजाइम। जिओलाइट्स प्रचुर मात्रा में, सस्ते मिट्टी जैसे खनिज हैं, और पिछले शोध में पाया गया है कि उनका उपयोग मीथेन को कार्बन डाइऑक्साइड में बदलने के लिए उत्प्रेरित करने के लिए किया जा सकता है।
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने आयरन-संशोधित एल्यूमीनियम सिलिकेट नामक जिओलाइट का उपयोग किया, जिसे अल्कोहल ऑक्सीडेज नामक एंजाइम के साथ जोड़ा गया। बैक्टीरिया, कवक और पौधे अल्कोहल को ऑक्सीकरण करने के लिए इस एंजाइम का उपयोग करते हैं।
यह हाइब्रिड उत्प्रेरक दो-चरणीय प्रतिक्रिया करता है जिसमें जिओलाइट मीथेन को मेथनॉल में परिवर्तित करता है, और फिर एंजाइम मेथनॉल को फॉर्मेल्डिहाइड में परिवर्तित करता है। वह प्रतिक्रिया हाइड्रोजन पेरोक्साइड भी उत्पन्न करती है, जिसे मीथेन को मेथनॉल में परिवर्तित करने के लिए ऑक्सीजन का स्रोत प्रदान करने के लिए जिओलाइट में वापस भेज दिया जाता है।
प्रतिक्रियाओं की यह श्रृंखला कमरे के तापमान पर हो सकती है और इसके लिए उच्च दबाव की आवश्यकता नहीं होती है। उत्प्रेरक कण पानी में निलंबित होते हैं, जो आसपास की हवा से मीथेन को अवशोषित कर सकते हैं। भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए, शोधकर्ताओं ने कल्पना की है कि इसे सतहों पर चित्रित किया जा सकता है।
“अन्य सिस्टम उच्च तापमान और उच्च दबाव पर काम करते हैं, और वे मीथेन ऑक्सीकरण को चलाने के लिए हाइड्रोजन पेरोक्साइड का उपयोग करते हैं, जो एक महंगा रसायन है। लेकिन हमारा एंजाइम ऑक्सीजन से हाइड्रोजन पेरोक्साइड का उत्पादन करता है, इसलिए मुझे लगता है कि हमारा सिस्टम बहुत लागत प्रभावी हो सकता है और स्केलेबल,” किम कहते हैं।
एक ऐसी प्रणाली बनाना जिसमें एंजाइम और कृत्रिम उत्प्रेरक दोनों शामिल हों, एक “स्मार्ट रणनीति” है, बेल्जियम के लौवेन विश्वविद्यालय में संघनित पदार्थ और नैनोविज्ञान संस्थान के प्रोफेसर डेमियन डेबेकर कहते हैं।
“उत्प्रेरक के इन दो परिवारों का संयोजन चुनौतीपूर्ण है, क्योंकि वे अलग-अलग परिचालन स्थितियों में काम करते हैं। इस बाधा को अनलॉक करके और केमो-एंजाइम सहयोग की कला में महारत हासिल करके, हाइब्रिड उत्प्रेरक महत्वपूर्ण-सक्षम बन जाता है: यह जटिल प्रतिक्रिया चलाने के लिए नए दृष्टिकोण खोलता है गहन तरीके से सिस्टम, “डेबेकर कहते हैं, जो शोध में शामिल नहीं थे।
पॉलिमर का निर्माण
एक बार जब फॉर्मेल्डिहाइड का उत्पादन हो जाता है, तो शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे मूत्र में पाए जाने वाले नाइट्रोजन युक्त अणु यूरिया को जोड़कर पॉलिमर उत्पन्न करने के लिए उस अणु का उपयोग कर सकते हैं। यह राल जैसा बहुलक, जिसे यूरिया-फॉर्मेल्डिहाइड के नाम से जाना जाता है, अब पार्टिकल बोर्ड, कपड़ा और अन्य उत्पादों में उपयोग किया जाता है।
शोधकर्ताओं ने कल्पना की है कि इस उत्प्रेरक को प्राकृतिक गैस के परिवहन के लिए उपयोग किए जाने वाले पाइपों में शामिल किया जा सकता है। उन पाइपों के भीतर, उत्प्रेरक एक पॉलिमर उत्पन्न कर सकता है जो पाइपों में दरारें ठीक करने के लिए सीलेंट के रूप में कार्य कर सकता है, जो मीथेन रिसाव का एक सामान्य स्रोत है। शोधकर्ताओं का कहना है कि उत्प्रेरक को मीथेन गैस के संपर्क में आने वाली सतहों पर फिल्म के रूप में भी लगाया जा सकता है, जिससे पॉलिमर का उत्पादन किया जा सकता है जिसे विनिर्माण में उपयोग के लिए एकत्र किया जा सकता है।
स्ट्रानो की प्रयोगशाला अब ऐसे उत्प्रेरकों पर काम कर रही है जिनका उपयोग वायुमंडल से कार्बन डाइऑक्साइड को हटाने और इसे नाइट्रेट के साथ मिलाकर यूरिया का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है। फिर उस यूरिया को जिओलाइट-एंजाइम उत्प्रेरक द्वारा उत्पादित फॉर्मेल्डिहाइड के साथ मिलाकर यूरिया-फॉर्मेल्डिहाइड का उत्पादन किया जा सकता है।
पेपर: “अल्कोहल ऑक्सीडेज और Fe-ZSM-5 उत्प्रेरक युगल द्वारा मध्यस्थता किए गए परिवेश के तापमान और दबाव पर ठोस मीथेन निर्धारण”
