होम > दबाएँ > Catalytic combo converts CO2 to solid carbon nanofibers: Tandem electrocatalytic-thermocatalytic conversion could help offset emissions of potent greenhouse gas by locking carbon away in a useful material
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| Scientists have devised a strategy for converting carbon dioxide (CO2) from the atmosphere into valuable carbon nanofibers. The process uses tandem electrocatalytic (blue ring) and thermocatalytic (orange ring) reactions to convert the CO2 (teal and silver molecules) plus water (purple and teal) into “fixed” carbon nanofibers (silver), producing hydrogen gas (H2, purple) as a beneficial byproduct. The carbon nanofibers could be used to strengthen building materials such as cement and lock away carbon for decades.
क्रेडिट |
सार:
अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी और कोलंबिया विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ2), एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस, को कार्बन नैनोफाइबर में परिवर्तित करने का एक तरीका विकसित किया है, जो अद्वितीय गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला और कई संभावित लंबे समय तक चलने वाली सामग्री है। शब्द का उपयोग. उनकी रणनीति अपेक्षाकृत कम तापमान और परिवेश के दबाव पर चलने वाली अग्रानुक्रम इलेक्ट्रोकेमिकल और थर्मोकेमिकल प्रतिक्रियाओं का उपयोग करती है। जैसा कि वैज्ञानिक नेचर कैटालिसिस पत्रिका में वर्णन करते हैं, यह दृष्टिकोण नकारात्मक कार्बन उत्सर्जन को संतुलित करने या यहां तक कि प्राप्त करने के लिए कार्बन को उपयोगी ठोस रूप में सफलतापूर्वक बंद कर सकता है।
कैटेलिटिक कॉम्बो CO2 को ठोस कार्बन नैनोफाइबर में परिवर्तित करता है: अग्रानुक्रम इलेक्ट्रोकैटलिटिक-थर्मोकैटलिटिक रूपांतरण कार्बन को एक उपयोगी सामग्री में बंद करके शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस के उत्सर्जन को संतुलित करने में मदद कर सकता है।
Upton, NY | Posted on January 12th, 2024
"आप सीमेंट को मजबूत करने के लिए कार्बन नैनोफाइबर को सीमेंट में डाल सकते हैं," ब्रुकहेवन लैब में संयुक्त नियुक्ति के साथ कोलंबिया में केमिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर जिंगगुआंग चेन ने कहा, जिन्होंने शोध का नेतृत्व किया। “इससे कार्बन कंक्रीट में कम से कम 50 वर्षों के लिए बंद हो जाएगा, संभवतः इससे भी अधिक समय के लिए। तब तक, दुनिया को मुख्य रूप से नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों में स्थानांतरित कर दिया जाना चाहिए जो कार्बन उत्सर्जित नहीं करते हैं।
एक बोनस के रूप में, यह प्रक्रिया हाइड्रोजन गैस (H2) का भी उत्पादन करती है, जो एक आशाजनक वैकल्पिक ईंधन है, जिसका उपयोग करने पर शून्य उत्सर्जन होता है।
कार्बन को पकड़ना या परिवर्तित करना
जलवायु परिवर्तन से निपटने के लिए CO2 को कैप्चर करने या इसे अन्य सामग्रियों में परिवर्तित करने का विचार नया नहीं है। लेकिन केवल CO2 गैस का भंडारण करने से रिसाव हो सकता है। और कई CO2 रूपांतरण कार्बन-आधारित रसायनों या ईंधन का उत्पादन करते हैं जिनका तुरंत उपयोग किया जाता है, जो CO2 को सीधे वायुमंडल में छोड़ देता है।
चेन ने कहा, "इस काम की नवीनता यह है कि हम CO2 को ऐसी चीज़ में बदलने की कोशिश कर रहे हैं जो मूल्यवर्धित हो लेकिन ठोस, उपयोगी रूप में हो।"
Such solid carbon materials—including carbon nanotubes and nanofibers with dimensions measuring billionths of a meter—have many appealing properties, including strength and thermal and electrical conductivity. But it’s no simple matter to extract carbon from carbon dioxide and get it to assemble into these fine-scale structures. One direct, heat-driven process requires temperatures in excess of 1,000 degrees Celsius.
चेन ने कहा, "बड़े पैमाने पर CO2 शमन के लिए यह बहुत अवास्तविक है।" "इसके विपरीत, हमें एक ऐसी प्रक्रिया मिली जो लगभग 400 डिग्री सेल्सियस पर हो सकती है, जो कि अधिक व्यावहारिक, औद्योगिक रूप से प्राप्त करने योग्य तापमान है।"
अग्रानुक्रम दो कदम
The trick was to break the reaction into stages and to use two different types of catalysts—materials that make it easier for molecules to come together and react.
"यदि आप प्रतिक्रिया को कई उप-प्रतिक्रिया चरणों में विभाजित करते हैं, तो आप प्रतिक्रिया के प्रत्येक भाग को काम करने के लिए विभिन्न प्रकार के ऊर्जा इनपुट और उत्प्रेरक का उपयोग करने पर विचार कर सकते हैं," ब्रुकहेवन लैब और कोलंबिया के अनुसंधान वैज्ञानिक झेनहुआ ज़ी, पेपर के प्रमुख लेखक ने कहा।
वैज्ञानिकों ने यह महसूस करके शुरुआत की कि कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) कार्बन नैनोफाइबर (CNF) बनाने के लिए CO2 की तुलना में बहुत बेहतर प्रारंभिक सामग्री है। फिर वे CO2 से CO उत्पन्न करने का सबसे प्रभावी तरीका खोजने के लिए पीछे हट गए।
उनके समूह के पहले के काम ने उन्हें कार्बन पर आधारित पैलेडियम से बने व्यावसायिक रूप से उपलब्ध इलेक्ट्रोकैटलिस्ट का उपयोग करने के लिए प्रेरित किया। इलेक्ट्रोकैटलिस्ट विद्युत प्रवाह का उपयोग करके रासायनिक प्रतिक्रियाएं चलाते हैं। प्रवाहित इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन की उपस्थिति में, उत्प्रेरक CO2 और पानी (H2O) दोनों को CO और H2 में विभाजित करता है।
दूसरे चरण के लिए, वैज्ञानिकों ने लौह-कोबाल्ट मिश्र धातु से बने ताप-सक्रिय थर्मोकैटलिस्ट की ओर रुख किया। यह लगभग 400 डिग्री सेल्सियस तापमान पर काम करता है, जो सीधे CO2-से-CNF रूपांतरण के लिए आवश्यक तापमान से काफी कम है। उन्होंने यह भी पता लगाया कि थोड़ा सा अतिरिक्त धात्विक कोबाल्ट मिलाने से कार्बन नैनोफाइबर का निर्माण काफी बढ़ जाता है।
चेन ने कहा, "इलेक्ट्रोकैटलिसिस और थर्मोकैटलिसिस को जोड़कर, हम इस अग्रानुक्रम प्रक्रिया का उपयोग उन चीजों को हासिल करने के लिए कर रहे हैं जिन्हें अकेले प्रक्रिया से हासिल नहीं किया जा सकता है।"
उत्प्रेरक लक्षण वर्णन
To discover the details of how these catalysts operate, the scientists conducted a wide range of experiments. These included computational modeling studies, physical and chemical characterization studies at Brookhaven Lab’s National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)—using the Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) and Inner-Shell Spectroscopy (ISS) beamlines—and microscopic imaging at the Electron Microscopy facility at the Lab’s Center for Functional Nanomaterials (CFN).
मॉडलिंग के मोर्चे पर, वैज्ञानिकों ने सक्रिय रासायनिक वातावरण के साथ बातचीत करते समय उत्प्रेरक की परमाणु व्यवस्था और अन्य विशेषताओं का विश्लेषण करने के लिए "घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत" (डीएफटी) गणना का उपयोग किया।
इन गणनाओं का नेतृत्व करने वाले ब्रुकहेवन के रसायन विज्ञान प्रभाग के सह-लेखक पिंग लियू ने बताया, "हम यह निर्धारित करने के लिए संरचनाओं को देख रहे हैं कि प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत उत्प्रेरक के स्थिर चरण क्या हैं।" “हम सक्रिय साइटों को देख रहे हैं और ये साइटें प्रतिक्रिया मध्यवर्ती के साथ कैसे जुड़ रही हैं। एक चरण से दूसरे चरण तक बाधाओं, या संक्रमण अवस्थाओं का निर्धारण करके, हम ठीक से सीखते हैं कि प्रतिक्रिया के दौरान उत्प्रेरक कैसे कार्य कर रहा है।
एनएसएलएस-II में एक्स-रे विवर्तन और एक्स-रे अवशोषण प्रयोगों ने ट्रैक किया कि प्रतिक्रियाओं के दौरान उत्प्रेरक भौतिक और रासायनिक रूप से कैसे बदलते हैं। उदाहरण के लिए, सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे से पता चला कि कैसे विद्युत प्रवाह की उपस्थिति उत्प्रेरक में धातु पैलेडियम को पैलेडियम हाइड्राइड में बदल देती है, एक धातु जो पहले प्रतिक्रिया चरण में एच 2 और सीओ दोनों का उत्पादन करने के लिए महत्वपूर्ण है।
दूसरे चरण के लिए, "हम जानना चाहते थे कि प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत लौह-कोबाल्ट प्रणाली की संरचना क्या है और लौह-कोबाल्ट उत्प्रेरक को कैसे अनुकूलित किया जाए," ज़ी ने कहा। एक्स-रे प्रयोगों ने पुष्टि की कि लौह और कोबाल्ट के मिश्र धातु और कुछ अतिरिक्त धातु कोबाल्ट मौजूद हैं और सीओ को कार्बन नैनोफाइबर में परिवर्तित करने के लिए आवश्यक हैं।
"दोनों क्रमिक रूप से एक साथ काम करते हैं," लियू ने कहा, जिनकी डीएफटी गणना ने प्रक्रिया को समझाने में मदद की।
“हमारे अध्ययन के अनुसार, मिश्र धातु में कोबाल्ट-आयरन साइटें कार्बन मोनोऑक्साइड के सीओ बांड को तोड़ने में मदद करती हैं। यह परमाणु कार्बन को कार्बन नैनोफाइबर के निर्माण के स्रोत के रूप में उपलब्ध कराता है। फिर अतिरिक्त कोबाल्ट कार्बन परमाणुओं को जोड़ने वाले सी-सी बांड के निर्माण को सुविधाजनक बनाने के लिए होता है,'' उसने समझाया।
रीसायकल-तैयार, कार्बन-नकारात्मक
सीएफएन वैज्ञानिक और अध्ययन के सह-लेखक सोयोन ह्वांग ने कहा, "सीएफएन में किए गए ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) विश्लेषण से उत्प्रेरक के साथ और बिना कार्बन नैनोफाइबर के भीतर आकृति विज्ञान, क्रिस्टल संरचनाओं और मौलिक वितरण का पता चला।"
छवियां दिखाती हैं कि, जैसे-जैसे कार्बन नैनोफाइबर बढ़ते हैं, उत्प्रेरक सतह से ऊपर और दूर धकेल दिया जाता है। चेन ने कहा, इससे उत्प्रेरक धातु का पुनर्चक्रण करना आसान हो जाता है।
"हम कार्बन नैनोफाइबर को नष्ट किए बिना धातु को बाहर निकालने के लिए एसिड का उपयोग करते हैं ताकि हम धातुओं को केंद्रित कर सकें और उन्हें उत्प्रेरक के रूप में फिर से उपयोग करने के लिए रीसायकल कर सकें," उन्होंने कहा।
शोधकर्ताओं ने कहा कि उत्प्रेरक रीसाइक्लिंग में आसानी, उत्प्रेरक की व्यावसायिक उपलब्धता और दूसरी प्रतिक्रिया के लिए अपेक्षाकृत हल्की प्रतिक्रिया की स्थिति, ऊर्जा और प्रक्रिया से जुड़ी अन्य लागतों के अनुकूल मूल्यांकन में योगदान करती है।
“For practical applications, both are really important—the CO2 footprint analysis and the recyclability of the catalyst,” said Chen. “Our technical results and these other analyses show that this tandem strategy opens a door for decarbonizing CO2 into valuable solid carbon products while producing renewable H2.”
यदि ये प्रक्रियाएँ नवीकरणीय ऊर्जा द्वारा संचालित होती हैं, तो परिणाम वास्तव में कार्बन-नकारात्मक होंगे, जिससे CO2 शमन के नए अवसर खुलेंगे।
This research was supported by the DOE Office of Science (BES). The DFT calculations were performed using computational resources at CFN and at the National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) at DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory. NSLS-II, CFN, and NERSC are DOE Office of Science user facilities.
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