कार्बन की बदौलत दो सौ गुना बेहतर उत्प्रेरक

जब आप धातु के नैनोकणों को कार्बन पर रखते हैं, तो वे अधिक सक्रिय हो जाते हैं। जो पहले केवल अनुभव के आधार पर माना जाता था उसे अब टीयू विएन (वियना) में पहली बार विस्तार से समझाया जा सकता है।

रासायनिक उद्योग में कीमती धातुएँ उत्प्रेरक के रूप में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं: चांदी, प्लैटिनम, पैलेडियम या अन्य तत्वों की मदद से, रासायनिक प्रतिक्रियाएँ हो सकती हैं जो अन्यथा प्रगति नहीं करेंगी या केवल बहुत कम प्रतिक्रिया दर पर प्रगति करेंगी। इन धातुओं का उपयोग अक्सर छोटे नैनोकणों के रूप में किया जाता है। हालाँकि, वे कितनी अच्छी तरह काम करते हैं यह उस सतह पर भी निर्भर करता है जिस पर उन्हें रखा गया है। कार्बन आधारित नैनोकण विशेष रूप से अच्छी तरह से काम करते प्रतीत होते हैं – इसका कारण लंबे समय तक अज्ञात था।

हालाँकि, टीयू वीन में, अब पहली बार धातु नैनोकणों और कार्बन सब्सट्रेट के बीच की बातचीत को सटीक रूप से मापना और समझाना संभव हो गया है। कार्बन सपोर्ट पर चांदी के परमाणु शुद्ध चांदी के टुकड़े के परमाणुओं की तुलना में दो सौ गुना अधिक सक्रिय पाए गए। कंप्यूटर सिमुलेशन से पता चलता है कि वह क्षेत्र जिसमें चांदी कार्बन के सीधे संपर्क में है, महत्वपूर्ण है। हाइड्रोजन आइसोटोप एक्सचेंज की मदद से, उत्प्रेरक समर्थनों की प्रभावशीलता को अधिक तेज़ी से और आसानी से जांचने के लिए एक विधि विकसित की गई थी।

“काली कला” से विज्ञान तक

“लंबे समय तक, उत्प्रेरण के लिए वाहक सामग्री के रूप में कार्बन का उपयोग लगभग जादुई था,” टीयू विएन में इंस्टीट्यूट ऑफ मैटेरियल्स केमिस्ट्री के प्रोफेसर गुंथर रुप्प्रेचर कहते हैं। कार्बन का स्रोत महत्वपूर्ण निकला। कुछ प्रक्रियाओं के लिए, कार्बन का उपयोग किया जाता है जो नारियल के छिलके, रेशों या विशेष लकड़ियों से प्राप्त किया जाता है। ऐसे “व्यंजनों” को पेटेंट दस्तावेजों में भी पाया जा सकता है – हालांकि रासायनिक पदार्थों की उत्पत्ति वास्तव में अपेक्षाकृत अप्रासंगिक होनी चाहिए। गुंथर रुप्प्रेचर कहते हैं, “यह हमेशा कुछ-कुछ काली कला जैसा लगता था।”

विचार यह था कि विभिन्न विनिर्माण विधियों से न्यूनतम रासायनिक या भौतिक अंतर हो सकता है: शायद कार्बन खुद को विनिर्माण की विधि के आधार पर अलग-अलग तरीकों से व्यवस्थित करता है 'हो सकता है कि इसमें अन्य रासायनिक तत्वों के निशान हों' या कार्यात्मक समूह सतह पर जमा हो जाएं – छोटे आणविक निर्माण खंड जो रासायनिक प्रतिक्रिया में हस्तक्षेप करते हैं' 'रासायनिक उद्योग में, लोग स्वाभाविक रूप से अक्सर इस तथ्य से संतुष्ट होते हैं कि एक प्रक्रिया काम करती है और इसे विश्वसनीय रूप से दोहराया जा सकता है,' रूप्प्रेचर कहते हैं। “लेकिन हम प्रभाव के मूल तक जाना चाहते थे और समझना चाहते थे कि परमाणु स्तर पर वास्तव में क्या हो रहा है।” कैडिज़ विश्वविद्यालय (स्पेन) और टीयू विएन में इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी यूएसटीईएम केंद्र भी शामिल थे।

माइक्रोरिएक्टर में परिशुद्धता माप

टीम ने पहले ऐसे नमूने तैयार किए जिन्हें बेहद सटीक रूप से चित्रित किया जा सकता था: कार्बन सब्सट्रेट पर ज्ञात आकार के चांदी के नैनोकण – और कार्बन के बिना एक पतली चांदी की पन्नी।

फिर दोनों नमूनों की एक रासायनिक रिएक्टर में जांच की गई: अध्ययन के पहले लेखक थॉमस विच बताते हैं, “चांदी का उपयोग हाइड्रोजन अणुओं को अलग-अलग हाइड्रोजन परमाणुओं में विभाजित करने के लिए किया जा सकता है।” “इस हाइड्रोजन का उपयोग तब किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, एथीन की हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रिया के लिए। इसी तरह, कोई 'साधारण' हाइड्रोजन अणुओं को भारी हाइड्रोजन (ड्यूटेरियम) से बने अणुओं के साथ भी मिला सकता है। दोनों अणु फिर चांदी से अलग हो जाते हैं और पुनः संयोजित हुआ।” उत्प्रेरक जितना अधिक सक्रिय होगा, उतनी ही अधिक बार दो हाइड्रोजन समस्थानिकों का आदान-प्रदान होगा। यह उत्प्रेरक गतिविधि के बारे में बहुत विश्वसनीय जानकारी प्रदान करता है।

इसका मतलब यह हुआ कि पहली बार, कार्बन समर्थन के साथ और बिना कार्बन समर्थन वाले चांदी के परमाणुओं के बीच गतिविधि में अंतर को सटीक रूप से निर्धारित किया जा सकता है – शानदार परिणामों के साथ: “प्रत्येक चांदी के परमाणु के लिए, कार्बन पृष्ठभूमि दो सौ गुना अधिक गतिविधि को प्रेरित करती है,” थॉमस कहते हैं। विच. “यह निश्चित रूप से औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। समान गतिविधि को प्राप्त करने के लिए आपको केवल महंगी कीमती धातुओं की मात्रा का दो-सौवां हिस्सा चाहिए – और आप तुलनात्मक रूप से सस्ती कार्बन जोड़कर ऐसा कर सकते हैं।”

रोमांचक प्रभाव ठीक सीमा पर होता है

टीयू वीन टीम के अलेक्जेंडर जेनेस्ट ने कार्बन और शुद्ध चांदी पर सिल्वर नैनोकणों द्वारा हाइड्रोजन के सक्रियण की तुलना करते हुए कंप्यूटर सिमुलेशन किया। इससे यह स्पष्ट हो गया: चांदी के कणों और कार्बन वाहक के बीच का सीमा क्षेत्र महत्वपूर्ण है। उत्प्रेरक प्रभाव वहीं सबसे अधिक होता है जहां दोनों संपर्क में आते हैं। अलेक्जेंडर जेनेस्ट कहते हैं, “तो यह कार्बन सतह या किसी विदेशी परमाणु या कार्यात्मक समूह का आकार नहीं है। एक अत्यधिक उत्प्रेरक प्रभाव तब होता है जब एक प्रतिक्रियाशील अणु सीधे इंटरफ़ेस पर कार्बन और चांदी परमाणु दोनों के संपर्क में आता है।” सीधे संपर्क का यह क्षेत्र जितना बड़ा होगा, गतिविधि उतनी ही अधिक होगी।

इस ज्ञान का मतलब है कि विभिन्न स्रोतों से अलग-अलग कार्बन बैचों को अब उनकी प्रभावशीलता के लिए काफी आसानी से जांचा जा सकता है। गुंथर रुप्प्रेचर कहते हैं, “अब जब हमने कार्रवाई के तंत्र को समझ लिया है, तो हम जानते हैं कि वास्तव में किस पर ध्यान देना है।” “हमारा प्रयोग, जिसमें हम उत्प्रेरकों को साधारण और भारी हाइड्रोजन के मिश्रण में उजागर करते हैं, को अंजाम देना अपेक्षाकृत आसान है और यह बहुत विश्वसनीय जानकारी प्रदान करता है कि कार्बन वाहक का यह संस्करण अन्य रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए भी उपयुक्त है या नहीं।” परमाणु स्तर पर प्रक्रियाओं को समझाने में सक्षम होने से अब औद्योगिक उपयोग में समय और धन की बचत होनी चाहिए और गुणवत्ता आश्वासन को सरल बनाना चाहिए।

मूल प्रकाशन

थॉमस विच, अलेक्जेंडर जेनेस्ट, लिडिया ई. चिनचिला, थॉमस हाउनोल्ड, एंड्रियास स्टीगर-थिर्सफेल्ड, माइकल स्टोगर-पोलाच, जोस जे. कैल्विनो, गुंथर रूप्प्रेचर: ग्रेफाइट समर्थित एजी, एयू और सीयू उत्प्रेरक पर एथिलीन हाइड्रोजनीकरण में इंटरफेशियल हाइड्रोजन की भूमिका ; एसीएस कैटलिसिस, 14 (2024) 16905-16919 https://doi.org/10.1021/acscatal.4c05246

ऑस्ट्रियाई विज्ञान कोष (एफडब्ल्यूएफ) द्वारा समर्थित अनुसंधान; [10.55776/I4434-N and 10.55776/Coe5] (एकल परमाणु कैटलिसिस और ऊर्जा रूपांतरण और भंडारण के लिए उत्कृष्ट सामग्री का क्लस्टर, एमईसीएस)।