इंजीनियरों ने CO2 को उपयोगी उत्पादों में परिवर्तित करना अधिक व्यावहारिक बना दिया है

एक नया इलेक्ट्रोड डिज़ाइन इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं की दक्षता को बढ़ाता है जो कार्बन डाइऑक्साइड को एथिलीन और अन्य उत्पादों में बदल देता है।

जैसा कि दुनिया ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करने के लिए संघर्ष कर रही है, शोधकर्ता कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने और इसे परिवहन ईंधन, रासायनिक फीडस्टॉक या यहां तक ​​कि निर्माण सामग्री जैसे उपयोगी उत्पादों में परिवर्तित करने के व्यावहारिक, किफायती तरीकों की तलाश कर रहे हैं। लेकिन अब तक, ऐसे प्रयासों को आर्थिक व्यवहार्यता तक पहुंचने में संघर्ष करना पड़ा है।

एमआईटी में इंजीनियरों के नए शोध से कार्बन डाइऑक्साइड को एक मूल्यवान वस्तु में परिवर्तित करने के लिए विकसित की जा रही विभिन्न विद्युत रासायनिक प्रणालियों में तेजी से सुधार हो सकता है। टीम ने इन प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोड के लिए एक नया डिज़ाइन विकसित किया, जो रूपांतरण प्रक्रिया की दक्षता को बढ़ाता है।

निष्कर्ष आज जर्नल में रिपोर्ट किए गए हैं प्रकृति संचारएमआईटी डॉक्टरेट उम्मीदवार साइमन रुफ़र, मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर कृपा वाराणसी और तीन अन्य लोगों के एक पेपर में।

वाराणसी का कहना है, “सीओ2 समस्या हमारे समय के लिए एक बड़ी चुनौती है, और हम इस समस्या को हल करने और संबोधित करने के लिए सभी प्रकार के लीवर का उपयोग कर रहे हैं।” उनका कहना है कि गैस को हटाने के व्यावहारिक तरीके ढूंढना आवश्यक होगा, या तो बिजली संयंत्र उत्सर्जन जैसे स्रोतों से, या सीधे हवा या महासागरों से। लेकिन फिर, एक बार CO2 हटा दिए जाने के बाद, इसे कहीं और जाना होगा।

वाराणसी का कहना है कि उस पकड़ी गई गैस को उपयोगी रासायनिक उत्पाद में परिवर्तित करने के लिए कई प्रकार की प्रणालियाँ विकसित की गई हैं। “ऐसा नहीं है कि हम यह नहीं कर सकते – हम यह कर सकते हैं। लेकिन सवाल यह है कि हम इसे कैसे कुशल बना सकते हैं' हम इसे लागत प्रभावी कैसे बना सकते हैं'' नए अध्ययन में, टीम ने इलेक्ट्रोकेमिकल रूपांतरण पर ध्यान केंद्रित किया CO2 से एथिलीन, एक व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला रसायन जिसे विभिन्न प्रकार के प्लास्टिक के साथ-साथ ईंधन में भी बनाया जा सकता है, और जो आज पेट्रोलियम से बनाया जाता है। लेकिन शोधकर्ताओं का कहना है कि उन्होंने जो दृष्टिकोण विकसित किया है, उसे मीथेन, मेथनॉल, कार्बन मोनोऑक्साइड और अन्य सहित अन्य उच्च-मूल्य वाले रासायनिक उत्पादों के उत्पादन में भी लागू किया जा सकता है।

वर्तमान में, एथिलीन लगभग 1,000 डॉलर प्रति टन पर बिकता है, इसलिए लक्ष्य उस कीमत को पूरा करने या उससे आगे निकलने में सक्षम होना है। CO2 को एथिलीन में परिवर्तित करने वाली विद्युत रासायनिक प्रक्रिया में एक जल-आधारित समाधान और एक उत्प्रेरक सामग्री शामिल होती है, जो गैस प्रसार इलेक्ट्रोड नामक उपकरण में विद्युत प्रवाह के साथ संपर्क में आती है।

गैस प्रसार इलेक्ट्रोड सामग्रियों की दो प्रतिस्पर्धी विशेषताएं हैं जो उनके प्रदर्शन को प्रभावित करती हैं: उन्हें अच्छे विद्युत कंडक्टर होना चाहिए ताकि प्रक्रिया को चलाने वाला वर्तमान प्रतिरोध हीटिंग के माध्यम से बर्बाद न हो, लेकिन उन्हें “हाइड्रोफोबिक” या पानी भी होना चाहिए विकर्षक, ताकि जल-आधारित इलेक्ट्रोलाइट समाधान लीक न हो और इलेक्ट्रोड सतह पर होने वाली प्रतिक्रियाओं में हस्तक्षेप न करे।

दुर्भाग्य से, यह एक समझौता है। चालकता में सुधार से हाइड्रोफोबिसिटी कम हो जाती है, और इसके विपरीत। वाराणसी और उनकी टीम यह देखने के लिए निकली कि क्या उन्हें उस संघर्ष से निपटने का कोई रास्ता मिल सकता है, और कई महीनों की कोशिश के बाद, उन्होंने ऐसा ही किया।

रूफर और वाराणसी द्वारा तैयार किया गया समाधान अपनी सादगी में शानदार है। उन्होंने एक प्लास्टिक सामग्री, पीटीएफई (अनिवार्य रूप से टेफ्लॉन) का उपयोग किया, जिसे अच्छे हाइड्रोफोबिक गुणों के लिए जाना जाता है। हालाँकि, PTFE की चालकता की कमी का मतलब है कि इलेक्ट्रॉनों को बहुत पतली उत्प्रेरक परत के माध्यम से यात्रा करनी होगी, जिससे दूरी के साथ महत्वपूर्ण वोल्टेज में गिरावट होगी। इस सीमा को पार करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पीटीएफई की बहुत पतली शीट के माध्यम से प्रवाहकीय तांबे के तारों की एक श्रृंखला बुनी।

वाराणसी का कहना है, “इस काम ने वास्तव में इस चुनौती को संबोधित किया है, क्योंकि अब हम चालकता और हाइड्रोफोबिसिटी दोनों प्राप्त कर सकते हैं।”

संभावित कार्बन रूपांतरण प्रणालियों पर शोध आमतौर पर बहुत छोटे, प्रयोगशाला-स्तरीय नमूनों पर किया जाता है, आमतौर पर 1-इंच (2.5-सेंटीमीटर) वर्ग से कम। विस्तार की क्षमता प्रदर्शित करने के लिए, वाराणसी की टीम ने क्षेत्रफल में 10 गुना बड़ी शीट तैयार की और अपने प्रभावी प्रदर्शन का प्रदर्शन किया।

उस बिंदु तक पहुंचने के लिए, उन्हें कुछ बुनियादी परीक्षण करने पड़े जो स्पष्ट रूप से पहले कभी नहीं किए गए थे, समान परिस्थितियों में परीक्षण चलाना लेकिन चालकता और इलेक्ट्रोड आकार के बीच संबंधों का विश्लेषण करने के लिए विभिन्न आकारों के इलेक्ट्रोड का उपयोग करना। उन्होंने पाया कि आकार के साथ चालकता नाटकीय रूप से कम हो गई, जिसका मतलब होगा कि प्रतिक्रिया को चलाने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा और इस प्रकार लागत की आवश्यकता होगी।

रुफ़र कहते हैं, “हम बिल्कुल यही उम्मीद करेंगे, लेकिन यह कुछ ऐसा था जिसकी पहले किसी ने भी समर्पित रूप से जांच नहीं की थी।” इसके अलावा, बड़े आकार में इच्छित एथिलीन के अलावा अधिक अवांछित रासायनिक उपोत्पाद उत्पन्न हुए।

शोधकर्ताओं का कहना है कि वास्तविक दुनिया के औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए ऐसे इलेक्ट्रोड की आवश्यकता होगी जो प्रयोगशाला संस्करणों की तुलना में शायद 100 गुना बड़े हों, इसलिए ऐसी प्रणालियों को व्यावहारिक बनाने के लिए प्रवाहकीय तारों को जोड़ना आवश्यक होगा। उन्होंने एक मॉडल भी विकसित किया जो ओमिक हानि के कारण इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज और उत्पाद वितरण में स्थानिक परिवर्तनशीलता को पकड़ता है। उनके द्वारा एकत्र किए गए प्रयोगात्मक डेटा के साथ मॉडल ने उन्हें चालकता में गिरावट का प्रतिकार करने के लिए प्रवाहकीय तारों के लिए इष्टतम अंतर की गणना करने में सक्षम बनाया।

वास्तव में, सामग्री के माध्यम से तार बुनकर, सामग्री को तारों की दूरी से निर्धारित छोटे उपखंडों में विभाजित किया जाता है। रुफ़र कहते हैं, “हमने इसे छोटे उपखंडों के समूह में विभाजित किया है, जिनमें से प्रत्येक प्रभावी रूप से एक छोटा इलेक्ट्रोड है।” “और जैसा कि हमने देखा है, छोटे इलेक्ट्रोड वास्तव में अच्छी तरह से काम कर सकते हैं।”

क्योंकि तांबे का तार पीटीएफई सामग्री की तुलना में बहुत अधिक प्रवाहकीय होता है, यह गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए एक प्रकार के सुपरहाइवे के रूप में कार्य करता है, उन क्षेत्रों को पाटता है जहां वे सब्सट्रेट तक सीमित होते हैं और अधिक प्रतिरोध का सामना करते हैं।

यह प्रदर्शित करने के लिए कि उनका सिस्टम मजबूत है, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शन में थोड़ा बदलाव के साथ, लगातार 75 घंटों तक एक परीक्षण इलेक्ट्रोड चलाया। कुल मिलाकर, रुफ़र कहते हैं, उनका सिस्टम “पहला पीटीएफई-आधारित इलेक्ट्रोड है जो 5 सेंटीमीटर या उससे छोटे के क्रम पर प्रयोगशाला पैमाने से आगे निकल गया है। यह पहला काम है जो बहुत बड़े पैमाने पर आगे बढ़ा है और दक्षता का त्याग किए बिना ऐसा किया है ।”

उन्होंने आगे कहा कि तार को शामिल करने की बुनाई प्रक्रिया को मौजूदा विनिर्माण प्रक्रियाओं में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है, यहां तक ​​कि बड़े पैमाने पर रोल-टू-रोल प्रक्रिया में भी।

रुफ़र कहते हैं, “हमारा दृष्टिकोण बहुत शक्तिशाली है क्योंकि इसका उपयोग किए जा रहे वास्तविक उत्प्रेरक से कोई लेना-देना नहीं है।” “आप उत्प्रेरक आकृति विज्ञान या रसायन विज्ञान से स्वतंत्र, इस माइक्रोमेट्रिक तांबे के तार को किसी भी गैस प्रसार इलेक्ट्रोड में सिलाई कर सकते हैं। इसलिए, इस दृष्टिकोण का उपयोग किसी के भी इलेक्ट्रोड को स्केल करने के लिए किया जा सकता है।”

वाराणसी का कहना है, “यह देखते हुए कि हमें CO2 चुनौती से निपटने के लिए सालाना गीगाटन CO2 संसाधित करने की आवश्यकता होगी, हमें वास्तव में ऐसे समाधानों के बारे में सोचने की ज़रूरत है जो बड़े पैमाने पर हो सकते हैं।” “इस मानसिकता के साथ शुरुआत करने से हमें महत्वपूर्ण बाधाओं की पहचान करने और नवीन दृष्टिकोण विकसित करने में मदद मिलती है जो समस्या को हल करने में सार्थक प्रभाव डाल सकते हैं। हमारा पदानुक्रमित प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड ऐसी सोच का परिणाम है।”

शोध दल में एमआईटी स्नातक छात्र माइकल नित्शे और संजय गैरिमेला, साथ ही जैक लेक पीएचडी '23 शामिल थे।