बेहतर उत्प्रेरक हानिकारक ग्रीनहाउस गैसों को स्वच्छ ईंधन, रासायनिक फीडस्टॉक्स में बदल देता है

टीम ने मीथेन के शुष्क सुधार नामक एक प्रतिक्रिया में सुधार किया जो मीथेन और कार्बन डाइऑक्साइड को सिनगैस में परिवर्तित करता है, जो दुनिया भर में तेल और रासायनिक कंपनियों द्वारा उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन और कार्बन मोनोऑक्साइड का एक मूल्यवान मिश्रण है। टीम ने उत्प्रेरक निष्क्रियता को कम करने के तरीके के रूप में अपने आविष्कार के लिए पेटेंट के लिए आवेदन किया है।

“सिनगैस महत्वपूर्ण है क्योंकि यह बड़े पैमाने पर उपभोग के बहुत सारे रसायनों के उत्पादन के लिए एक मंच है,” ओआरएनएल के फेलिप पोलो-गार्जोन ने कहा, जिन्होंने ओआरएनएल के जुआन झांग के साथ मिलकर प्रकाशित अध्ययन का नेतृत्व किया। प्रकृति संचार.

सिनगैस उत्पादन को गति देने वाले उत्प्रेरक में सुधार से वैश्विक ऊर्जा सुरक्षा, स्वच्छ ईंधन और रासायनिक फीडस्टॉक पर भारी प्रभाव पड़ सकता है। तेल भंडार की कमी वाले देशों में, कोयले या प्राकृतिक गैस से प्राप्त सिनगैस डीजल और गैसोलीन ईंधन बनाने के लिए महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, सिनगैस घटकों का उपयोग अन्य कमोडिटी रसायन बनाने के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन का उपयोग स्वच्छ ईंधन के रूप में या उर्वरक बनाने के लिए अमोनिया के फीडस्टॉक के रूप में किया जा सकता है। मेथनॉल, एक अल्कोहल जिसे सिनगैस से बनाया जा सकता है, प्लास्टिक, सिंथेटिक कपड़े और फार्मास्यूटिकल्स के उत्पादन के लिए सामग्री का एक स्रोत है। मेथनॉल हाइड्रोजन का भी एक अच्छा वाहक है, जिस पर दबाव डालना कठिन है और परिवहन के लिए खतरनाक है। सबसे सरल अल्कोहल के रूप में, मेथनॉल में हाइड्रोजन और कार्बन का अनुपात सबसे अधिक होता है; इसे सुरक्षित रूप से ले जाया जा सकता है और गंतव्य पर हाइड्रोजन में परिवर्तित किया जा सकता है।

“यह [dry reforming of methane] प्रतिक्रिया आकर्षक लगती है क्योंकि आप दो ग्रीनहाउस गैसों को एक मूल्यवान मिश्रण में परिवर्तित कर रहे हैं,” पोलो-गार्जोन ने कहा। “हालांकि, दशकों से समस्या यह रही है कि इस प्रतिक्रिया को करने के लिए आवश्यक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत जल्दी से निष्क्रिय हो जाते हैं, जिससे यह प्रतिक्रिया अव्यवहार्य हो जाती है। एक औद्योगिक पैमाना।”

अभिकारकों का महत्वपूर्ण रूपांतरण प्राप्त करने के लिए, प्रतिक्रिया 650 डिग्री सेल्सियस या 1,200 डिग्री फ़ारेनहाइट से अधिक तापमान पर आयोजित की जानी चाहिए। पोलो-गार्जोन ने कहा, “इस उच्च तापमान पर, उत्प्रेरक दो निष्क्रियकरण प्रक्रियाओं से गुजरते हैं।” “एक है सिंटरिंग, जिसमें आप प्रतिक्रिया करने वाली सतह साइटों को खो देते हैं। दूसरा है कोक का निर्माण – मूल रूप से ठोस कार्बन जो उत्प्रेरक को अभिकारकों से संपर्क करने से रोकता है।”

उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के लिए एक बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करके काम करते हैं। निकेल जैसे धातु परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं जो उन्हें अस्थायी रूप से अभिकारकों को बांधने की अनुमति देते हैं, जिससे रासायनिक बंधन को तोड़ना और बनाना आसान हो जाता है। सिंटरिंग के कारण निकल के कण आपस में चिपक जाते हैं, जिससे रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र कम हो जाता है।

इसी प्रकार, कोकिंग एक उत्प्रेरक का गला घोंट देती है। झांग ने कहा, “उत्प्रेरक सतह पर प्रतिक्रिया के दौरान, मीथेन अपने हाइड्रोजन परमाणुओं को एक-एक करके खो देगा जब तक कि इसका केवल एक कार्बन परमाणु नहीं बचेगा।” “यदि इसमें कोई ऑक्सीजन नहीं बंधती है, तो बचा हुआ कार्बन उत्प्रेरक की निकल सतह पर एकत्र हो जाएगा, जो इसके सक्रिय चेहरे को कवर करेगा। यह कोकिंग जमाव निष्क्रियता का कारण बनता है। यह हाइड्रोकार्बन रूपांतरण के लिए थर्मल उत्प्रेरक में बेहद आम है।”

आज, अधिकांश वाणिज्यिक सिनगैस मीथेन के भाप सुधार द्वारा बनाया जाता है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें बड़ी मात्रा में पानी और गर्मी की आवश्यकता होती है और जो कार्बन डाइऑक्साइड भी पैदा करती है। इसके विपरीत, मीथेन के शुष्क सुधार के लिए पानी की आवश्यकता नहीं होती है और वास्तव में कार्बन डाइऑक्साइड और मीथेन की खपत होती है।

उत्प्रेरक संश्लेषण के दौरान धातु सक्रिय साइटों और समर्थन के बीच बातचीत को ट्यून करके, वैज्ञानिकों ने कोक गठन और धातु सिंटरिंग को दबा दिया। नया उत्प्रेरक बेहद धीमी गति से निष्क्रियता के साथ मीथेन के शुष्क सुधार के लिए उत्कृष्ट प्रदर्शन प्रदान करता है।

नवीन उत्प्रेरक में जिओलाइट नामक एक क्रिस्टलीय पदार्थ होता है जिसमें सिलिकॉन, एल्यूमीनियम, ऑक्सीजन और निकल होता है। जिओलाइट का सहायक ढांचा धातु सक्रिय साइटों को स्थिर करता है।

झांग ने कहा, “जिओलाइट संरचना में रेत की तरह है।” “लेकिन रेत के विपरीत, इसमें स्पंज जैसी संरचना होती है जो छोटे छिद्रों से भरी होती है, प्रत्येक का व्यास लगभग 0.6 नैनोमीटर होता है। यदि आप सतह क्षेत्र को उजागर करने के लिए जिओलाइट को पूरी तरह से खोल सकते हैं, तो 1 ग्राम नमूने में लगभग 500 वर्ग मीटर का क्षेत्र होगा, जो उजागर सतह की एक जबरदस्त मात्रा है।”

जिओलाइट उत्प्रेरक को संश्लेषित करने के लिए, शोधकर्ता एल्यूमीनियम के कुछ परमाणुओं को हटा देते हैं और उन्हें निकल से बदल देते हैं। पोलो-गार्जोन ने कहा, “हम प्रभावी ढंग से निकल और जिओलाइट होस्ट के बीच एक मजबूत बंधन बना रहे हैं।” “यह मजबूत बंधन हमारे उत्प्रेरक को उच्च तापमान पर गिरावट के प्रति प्रतिरोधी बनाता है।”

उच्च-प्रदर्शन उत्प्रेरक को ओआरएनएल के नैनोफ़ेज़ सामग्री विज्ञान केंद्र में संश्लेषित किया गया था। ओआरएनएल के सरफेस केमिस्ट्री और कैटलिसिस समूह के नेता ज़िली वू ने परियोजना के लिए रणनीति सलाहकार के रूप में कार्य किया।

झांग ने इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी का प्रदर्शन किया, जिससे पता चला कि निकल को आमतौर पर जिओलाइट ढांचे में दो सिलिकॉन परमाणुओं द्वारा अलग और बाध्य किया गया था।

डीओई की ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला और एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला में, ओआरएनएल के युआनयुआन ली ने उत्प्रेरक में निकल की इलेक्ट्रॉनिक और बॉन्डिंग संरचनाओं का विवरण देते हुए एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी अध्ययन का नेतृत्व किया। ओआरएनएल में, पोलो-गार्जोन और झांग ने उत्प्रेरक दक्षता को मापने के लिए स्थिर-अवस्था आइसोटोपिक क्षणिक गतिज विश्लेषण नामक एक तकनीक का उपयोग किया – एक सक्रिय साइट कितनी बार एक अभिकारक को एक उत्पाद में परिवर्तित करती है।

एक्स-रे विवर्तन और स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने नैनोस्केल पर सामग्रियों की संरचना और संरचना की विशेषता बताई।

पोलो-गार्जोन ने कहा, “संश्लेषण विधि में, हमने पाया कि यह विधि इसलिए काम करती है क्योंकि हम पानी से छुटकारा पाने में सक्षम हैं, जो उत्प्रेरक संश्लेषण का उपोत्पाद है।” “हमने सहकर्मियों से घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत का उपयोग करने के लिए कहा ताकि यह पता लगाया जा सके कि जब निकल की स्थिरता की बात आती है तो पानी क्यों मायने रखता है।”

वेंडरबिल्ट विश्वविद्यालय में, हाओहोंग सॉन्ग और डी-एन जियांग ने कम्प्यूटेशनल गणना की, जिसमें दिखाया गया कि जिओलाइट से पानी निकालने से निकल के साथ इसकी बातचीत मजबूत होती है।

इसके बाद, शोधकर्ता मीथेन प्रतिक्रिया के शुष्क सुधार के लिए अन्य उत्प्रेरक फॉर्मूलेशन विकसित करेंगे जो व्यापक परिस्थितियों में स्थिर होंगे। पोलो-गार्जोन ने कहा, “हम थर्मोडायनामिक बाधाओं को तोड़ने के लिए प्रतिक्रियाशील अणुओं को उत्तेजित करने के वैकल्पिक तरीकों की तलाश कर रहे हैं।”

पोलो-गार्जोन ने कहा, “उत्प्रेरक को बेहतर बनाने के लिए हमने परीक्षण और त्रुटि पर नहीं, बल्कि तर्कसंगत डिजाइन पर भरोसा किया।” “हम सिर्फ एक उत्प्रेरक विकसित नहीं कर रहे हैं। हम औद्योगिक प्रक्रियाओं की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए उत्प्रेरक को स्थिर करने के लिए डिजाइन सिद्धांत विकसित कर रहे हैं। इसके लिए संश्लेषण प्रोटोकॉल के निहितार्थ की मौलिक समझ की आवश्यकता है। उद्योग के लिए, यह महत्वपूर्ण है क्योंकि एक मृत प्रस्तुत करने के बजाय- अंतिम सड़क जिसमें आप कुछ आज़माते हैं, देखते हैं कि यह कैसा प्रदर्शन करता है, और फिर तय करते हैं कि वहाँ से कहाँ जाना है, हम आगे बढ़ने का एक रास्ता प्रदान कर रहे हैं।”