2023 लेखक: Bryan Walter | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-05-21 22:25
रसायनज्ञों ने कमरे के तापमान पर इलेक्ट्रोकेमिकल विधि द्वारा मीथेन से रिकॉर्ड बड़ी मात्रा में मेथनॉल के उत्पादन के लिए स्थितियां विकसित की हैं। ऐसा करने के लिए, उन्होंने 12 संक्रमण धातु ऑक्साइड इलेक्ट्रोड, अलग-अलग पीएच और क्षमता का परीक्षण किया। टाइटेनियम और कॉपर ऑक्साइड की द्विधातु प्रणाली ने मीथेन से मेथनॉल के उत्पादन में छह प्रतिशत दक्षता प्राप्त करना संभव बना दिया। प्रोसीडिंग्स ऑफ द नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज में प्रकाशित एक लेख के अनुसार, भविष्य में इस तरह के तरीके शेल गैस और बायोगैस के प्रसंस्करण की अनुमति देंगे।
शेल गैसों और बायोगैस को पकड़ने और उनका इलाज करने के सबसे आशाजनक तरीकों में से एक जलीय वातावरण में मीथेन का विद्युत रासायनिक ऑक्सीकरण है। लेकिन वर्तमान में ज्ञात उत्प्रेरक के पास पर्याप्त गतिविधि और चयनात्मकता नहीं है। इसलिए, उद्योग में अभी तक इस पद्धति का उपयोग नहीं किया गया है।
आज, मीथेन युक्त कच्चे माल का बड़ा हिस्सा बिजली पैदा करने या आवासीय और कार्यालय भवनों को गर्म करने के लिए जला दिया जाता है। इसके परिणामस्वरूप प्रत्येक वर्ष लगभग एक गीगाटन कार्बन डाइऑक्साइड पर्यावरण में छोड़ी जाती है। इसके अलावा, मीथेन का उपयोग अक्सर भाप की उपस्थिति में भाप सुधार का उपयोग करके मेथनॉल के संश्लेषण के लिए किया जाता है। ऐसी प्रक्रियाओं की समस्याएं सबसे अधिक बार उत्प्रेरक विषाक्तता और हीटिंग और बढ़े हुए दबाव के लिए ऊर्जा का एक बड़ा व्यय हैं।
प्राकृतिक स्रोतों से मीथेन के प्रसंस्करण के लिए विद्युत रासायनिक मार्ग बहुत बेहतर है, लेकिन इस पद्धति की मुख्य समस्याएं हैं: सीएच बांड की उच्च ऊर्जा, मानक परिस्थितियों में पानी में मीथेन की कम घुलनशीलता, साथ ही साथ पानी से ऑक्सीजन के विकास की प्रतिस्पर्धी प्रतिक्रिया।. इसके अलावा, मीथेन इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया का तंत्र अभी भी स्पष्ट नहीं है। इसलिए, इस तंत्र की व्याख्या और सबसे प्रभावी उत्प्रेरक का विकास आधुनिक पावर इंजीनियरिंग के प्राथमिकता वाले कार्यों में से एक है।
मिनेसोटा विश्वविद्यालय के जेसन गुडपास्टर और शिकागो में इलिनोइस विश्वविद्यालय के मीनेश सिंह के नेतृत्व में रसायनज्ञों की एक टीम ने तटस्थ और दृढ़ता से क्षारीय परिस्थितियों में मीथेन इलेक्ट्रोलिसिस में 12 संक्रमण धातु इलेक्ट्रोड का परीक्षण किया। ऐसा करने के लिए, उन्होंने मीथेन के साथ इलेक्ट्रोलाइट समाधान को शुद्ध किया, जिसके बाद इलेक्ट्रोलिसिस के गैसीय उत्पादों को उनमें से प्रत्येक के अनुपात को निर्धारित करने के लिए गैस क्रोमैटोग्राफ में स्थानांतरित कर दिया गया। वैनेडियम, क्रोमियम और मैंगनीज पर आधारित इलेक्ट्रोड को छोड़ना पड़ा, क्योंकि वे एक विस्तृत पीएच रेंज में अस्थिर हो गए थे। शेष इलेक्ट्रोड के मामले में, प्रतिक्रिया का मुख्य उत्पाद ऑक्सीजन था, लेकिन फॉस्फेट बफर में टाइटेनियम, इरिडियम और लेड ऑक्साइड के मामले में, लेखकों ने कार्बन डाइऑक्साइड के विकास को भी देखा। पोटेशियम क्लोराइड बफर में प्लैटिनम ऑक्साइड इलेक्ट्रोड के मामले में भी ऐसा ही है। और यद्यपि इस प्रतिक्रिया में कार्बन डाइऑक्साइड लक्ष्य उत्पाद नहीं है, फिर भी इसकी उपस्थिति इंगित करती है कि इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया चल रही है। इन चार इलेक्ट्रोड के मामले में सबसे बड़ी प्रतिक्रिया दक्षता तटस्थ माध्यम में देखी जाती है। लेखकों का तर्क है कि यह क्षारीय माध्यम में हाइड्रॉक्साइड आयनों की प्रचुरता के कारण है, जो सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रोड पर सोख लिए जाते हैं और ऑक्सीजन के निर्माण की ओर ले जाते हैं।
प्रतिक्रिया उत्पादों के मिश्रण के मुख्य घटकों के संबंध में विभिन्न इलेक्ट्रोड पर आधारित कोशिकाओं की क्षमता
लेखकों द्वारा किए गए इलेक्ट्रोलाइटिक सेल पर लागू क्षमता की भिन्नता से पता चला है कि टाइटेनियम डाइऑक्साइड इलेक्ट्रोड पर 2.31 वोल्ट पर सबसे प्रभावी उत्पादन देखा जाता है। ऐसे इलेक्ट्रोड की दक्षता 13.5 प्रतिशत थी। 1.71 से 2.51 वोल्ट के संभावित मूल्यों के साथ, इसने अधिकतम मूल्यों को स्थिर रूप से दिखाया।इरिडियम ऑक्साइड दूसरे स्थान पर और लेड ऑक्साइड तीसरे स्थान पर रहा।
विभिन्न क्षमता पर उत्प्रेरक की प्रभावशीलता
रसायनज्ञों ने एक इलेक्ट्रोड की सतह पर मीथेन अणु को सोखने के लिए आवश्यक ऊर्जा को भी मापा। ऐसा करने के लिए, उन्होंने ऑक्सीजन उत्पादन के अनुपात को कम करने के लिए इलेक्ट्रोड की सतहों को आर्गन से संतृप्त किया, जिसके बाद उन्होंने इलेक्ट्रोड को मीथेन खिलाया। यह पता चला कि चार सफल उत्प्रेरक के लिए मीथेन अणु की सोखना ऊर्जा एक दूसरे के करीब है और लगभग 0.24 इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बराबर है। इसके अलावा, प्रक्रिया के पहले चरण की ऊर्जा - पहले हाइड्रोजन परमाणु की टुकड़ी - भी इस मूल्य के करीब और आपस में हैं। इलेक्ट्रोड सामग्री जिसके लिए मीथेन की सोखना ऊर्जा कम होती है, इस प्रतिक्रिया में बिल्कुल भी काम नहीं करती है। ऑक्सीजन के उत्पादन और मीथेन के ऑक्सीकरण के बीच प्रतिस्पर्धा के अध्ययन से पता चला है कि श्रृंखला में पूर्व का हिस्सा बढ़ता है: लेड ऑक्साइड <टाइटेनियम ऑक्साइड <इरिडियम ऑक्साइड। इस तुलना में प्लेटिनम ऑक्साइड पर विचार नहीं किया जाता है क्योंकि यह एक अलग पीएच पर काम करता है। इस तरह की प्रतिक्रियाओं में तांबे के यौगिकों की प्रभावशीलता को प्रदर्शित करने वाले एक अध्ययन के आधार पर, लेखक दिखाते हैं कि टाइटेनियम ऑक्साइड और कॉपर ऑक्साइड द्विधातु प्रणाली कैसे काम करती है। 10% कॉपर ऑक्साइड युक्त ऐसा द्विधातु इलेक्ट्रोड मेथनॉल के उत्पादन में छह प्रतिशत के बराबर दक्षता दर्शाता है। उसी समय, कमरे के तापमान पर समान विद्युत रासायनिक अध्ययनों ने मेथनॉल की मात्रा का पता लगाया।
मीथेन के विद्युत रासायनिक ऑक्सीकरण और प्रतिस्पर्धी ऑक्सीजन उत्पादन के लिए संभावित रास्ते
अन्य बातों के अलावा, मीथेन को मेथनॉल में परिवर्तित करना ईंधन के परिवहन में बहुत मददगार हो सकता है, क्योंकि मेथनॉल तरल है और परिवहन में आसान है। इसलिए, वे इस समस्या को विभिन्न तरीकों से हल करने का प्रयास कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, अमेरिकी रसायनज्ञों ने एक बहुलक बनाने के लिए एक 3D प्रिंटर का उपयोग किया जो मीथेन से मेथनॉल के उत्पादन के लिए प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करता है।
