प्लेटिनम और मोलिब्डेनम कार्बाइड ने 40 डिग्री सेल्सियस पर हाइड्रोजन बनाने में मदद की

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प्लेटिनम और मोलिब्डेनम कार्बाइड ने 40 डिग्री सेल्सियस पर हाइड्रोजन बनाने में मदद की
प्लेटिनम और मोलिब्डेनम कार्बाइड ने 40 डिग्री सेल्सियस पर हाइड्रोजन बनाने में मदद की
Anonim
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चीनी रसायनज्ञों ने पानी और कार्बन मोनोऑक्साइड से हाइड्रोजन के उत्पादन की प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करने के लिए एक नई सामग्री विकसित की है। उत्प्रेरक में मोलिब्डेनम कार्बाइड होता है, जिसकी सतह पर एकल प्लैटिनम परमाणु स्थित होते हैं, और इसकी मदद से केवल चालीस डिग्री सेल्सियस के तापमान पर हाइड्रोजन का उत्पादन संभव है। शोध के नतीजे नेचर जर्नल में प्रकाशित हुए हैं।

कार्बन मोनोऑक्साइड (CO + H2O = CO2 + H2) के साथ जल वाष्प की प्रतिक्रिया शुद्ध हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए एक औद्योगिक रूप से महत्वपूर्ण प्रक्रिया है। हाइड्रोजन की उपज बढ़ाने के लिए विभिन्न उत्प्रेरकों का उपयोग किया जाता है, और वैज्ञानिक लगातार सर्वोत्तम विकल्प की तलाश में हैं। ऑक्साइड या कार्बाइड मैट्रिक्स पर समर्थित महान धातुओं के नैनोकणों से बने उत्प्रेरक अच्छी दक्षता प्रदर्शित करते हैं, लेकिन वैज्ञानिकों ने हाल तक, इस पर आम सहमति नहीं थी कि वे कैसे काम करते हैं। कुछ प्रयोगों से पता चला है कि उत्प्रेरक सतह पर महान धातुओं के एकल परमाणु उत्प्रेरण में मुख्य भूमिका निभाते हैं, अन्य जो कई आसन्न परमाणुओं से समावेशन अधिक कुशलता से काम करते हैं, और अभी भी अन्य कि प्रमुख कारक समावेशन की एकाग्रता और परमाणुओं की संख्या है। वे एक विशेष भूमिका नहीं निभाते हैं।

पेकिंग यूनिवर्सिटी के डिंग मा के नेतृत्व में चीनी रसायनज्ञ, यूनिवर्सिटी ऑफ द चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज के वू झोउ और डालियान यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के चुआन शी ने इस मुद्दे को समझने और पहले अप्राप्य दक्षता के साथ उत्प्रेरक प्राप्त करने में कामयाबी हासिल की। उनके नए उत्प्रेरक में प्लैटिनम जोड़ के साथ मोलिब्डेनम कार्बाइड कण होते हैं; इसमें एक साथ प्लैटिनम परमाणु Pt1 और कई प्लैटिनम परमाणुओं Ptn के समूह दोनों शामिल हैं।

उत्प्रेरक प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों ने पहले मोलिब्डेनम कार्बाइड MoC को मीथेन और हाइड्रोजन के वातावरण में मोलिब्डेनम ऑक्साइड को गर्म करके संश्लेषित किया। उसके बाद, प्लेटिनम को सतह पर लागू किया गया: MoC पाउडर को नाइट्रोजन और हाइड्रोजन के मिश्रण के प्रवाह के साथ उपचारित किया गया, फिर H2PtCl6 के जलीय घोल के साथ मिलाया गया और हाइड्रोजन वातावरण में धीरे-धीरे 490 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया गया। H2PtCl6 की सांद्रता को अलग करके, लेखकों ने सतह पर प्लैटिनम की विभिन्न मात्राओं के साथ Pt-MoC कंपोजिट प्राप्त किए: प्लैटिनम सामग्री के साथ नमूनों की कुल तीन श्रृंखलाएं प्राप्त की गईं, जो 0, 2, 2 और 8 प्रतिशत से लेकर थीं।

स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और एक्सएएफएस स्पेक्ट्रोस्कोपी के परिणामों से पता चला है कि उत्प्रेरक सतह पर 0.2 प्रतिशत प्लैटिनम के साथ केवल पृथक प्लैटिनम परमाणु पीटी 1 पाए गए थे - औसतन, प्रति 100 वर्ग नैनोमीटर सतह पर 9 टुकड़े। 2 और 8 प्रतिशत प्लैटिनम वाले नमूनों में, पृथक प्लेटिनम परमाणुओं की संख्या अधिक थी - सतह के क्रमशः 42 और 80 प्रति 100 वर्ग नैनोमीटर। इसके अलावा, 2 प्रतिशत प्लैटिनम वाले नमूनों में कई प्लैटिनम परमाणुओं Ptn के सबनैनोमीटर-आकार के क्लस्टर होते हैं, जबकि 8 प्रतिशत प्लैटिनम वाले नमूनों में और भी बड़े नैनोमीटर-आकार के क्लस्टर होते हैं।

उत्प्रेरक गतिविधि का परीक्षण करने के लिए, नई सामग्रियों की तुलना पहले से ज्ञात उत्प्रेरकों से की गई: कॉपर, जिंक ऑक्साइड और एल्युमिनियम ऑक्साइड Cu / ZnO / Al2O3, मोलिब्डेनम कार्बाइड के साथ गोल्ड एडिशन Au-MoC, और शुद्ध मोलिब्डेनम कार्बाइड MoC बिना एडिटिव्स का एक सम्मिश्रण। चैंपियन 2 प्रतिशत प्लैटिनम के साथ Pt-MoC निकला: इस प्रणाली में, हाइड्रोजन का निर्माण पहले से ही चालीस डिग्री सेल्सियस पर शुरू हो गया था, और पूर्ण रूपांतरण एक सौ डिग्री सेल्सियस पर हासिल किया गया था। उत्प्रेरक की गतिविधि १०० से ४०० डिग्री सेल्सियस के तापमान सीमा में समान रूप से उच्च बनी रही। बाकी उत्प्रेरकों ने उन्हीं परिस्थितियों में बदतर परिणाम दिखाए। 0.2 प्रतिशत प्लैटिनम के साथ Au-MoC और Pt-MoC के उपयोग ने भी पूर्ण रूपांतरण प्राप्त करना संभव बना दिया, लेकिन बहुत कम तापमान सीमा में - 200 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर, इन उत्प्रेरकों की गतिविधि में गिरावट शुरू हो गई।और बिना एडिटिव्स और Cu / ZnO / Al2O3 के बिना MoC किसी भी तापमान पर पूर्ण रूपांतरण तक नहीं पहुंच सका।

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विभिन्न उत्प्रेरकों का उपयोग करके कार्बन मोनोऑक्साइड का रूपांतरण

दिलचस्प बात यह है कि विशिष्ट उत्प्रेरक गतिविधि (प्लैटिनम के प्रति मोल प्रति सेकंड हाइड्रोजन के मोल की संख्या) 0.2 प्रतिशत प्लैटिनम के साथ पीटी-एमओसी के मामले में सबसे अधिक थी। इसका मतलब यह है कि 2 और 8 प्रतिशत प्लैटिनम के साथ पीटी-एमओसी में सबनैनोमीटर और नैनोमीटर क्लस्टर में कम से कम कुछ प्लैटिनम परमाणु उत्प्रेरक प्रक्रिया में भाग नहीं लेते हैं।

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एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी डेटा

प्रतिक्रिया तंत्र के बारे में अधिक जानने के लिए, लेखकों ने सीटू एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी में उपयोग किया। उन्होंने उत्प्रेरक को एक स्पेक्ट्रोमीटर कक्ष में रखा और क्रमिक रूप से विभिन्न गैसों को कक्ष में लॉन्च किया, यह देखते हुए कि सामग्री की सतह कैसे बदल गई। जब जल वाष्प का संचार हुआ, तो स्पेक्ट्रम में लगभग 532.3 इलेक्ट्रॉन वोल्ट का शिखर दिखाई दिया, जो मोलिब्डेनम कार्बाइड की सतह पर एक OH समूह के गठन का संकेत देता है। सिस्टम में सीओ जोड़ने और तापमान बढ़ाने के बाद, लगभग 533.8 इलेक्ट्रॉनवोल्ट का एक नया शिखर दिखाई देता है, जो सोखने वाले कार्बन मोनोऑक्साइड के अनुरूप होता है, और हाइड्रोजन और कार्बन डाइऑक्साइड का विकास शुरू होता है। इसी समय, 532.3 वोल्ट का शिखर कम हो जाता है (OH- समूह CO के साथ प्रतिक्रिया करते हैं), लेकिन 150 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर भी पूरी तरह से गायब नहीं होते हैं। लेखकों ने सुझाव दिया कि केवल वे ओएच समूह जो प्लैटिनम कणों के काफी करीब हैं, सीओ के साथ प्रतिक्रिया में प्रवेश करते हैं, जबकि जो दूर हैं वे उत्प्रेरक सतह पर रहते हैं। ये डेटा उत्प्रेरक स्थिरता के मापन के साथ अच्छे समझौते में हैं - सबसे स्थिर 2 प्रतिशत प्लैटिनम के साथ पीटी-एमओसी था। 0.2 प्रतिशत प्लैटिनम वाले उत्प्रेरक में, सतह पर समावेशन बहुत दुर्लभ थे, इसलिए सभी हाइड्रॉक्सिल समूह कार्बन मोनोऑक्साइड के साथ प्रतिक्रिया नहीं कर सकते थे। कुछ हाइड्रॉक्सिल समूह MoC सतह पर बने रहे, और गर्म होने पर, उत्प्रेरक को धीरे-धीरे निष्क्रिय कर दिया गया।

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प्रतिक्रिया तंत्र चित्रण

इसके अलावा, प्रतिक्रिया तंत्र को स्पष्ट करने के लिए, लेखकों ने अनुरेखक विधि का उपयोग किया। प्रतिक्रिया के दौरान परमाणुओं की पुनर्व्यवस्था का पता लगाने के लिए, पानी को भारी ऑक्सीजन आइसोटोप H218O के साथ पानी से बदल दिया गया था, और कार्बन मोनोऑक्साइड को कार्बन मोनोऑक्साइड के साथ कार्बन 13C16O के भारी आइसोटोप के साथ बदल दिया गया था। यदि रूपांतरण प्रतिक्रिया शास्त्रीय तंत्र के अनुसार आगे बढ़ती है, तो परिणामस्वरूप कार्बन डाइऑक्साइड अणु में, एक ऑक्सीजन परमाणु पानी के अणु से होना चाहिए, और दूसरा कार्बन मोनोऑक्साइड अणु से होना चाहिए, अर्थात "मिश्रित" कार्बन डाइऑक्साइड 13С16О18О का निर्माण हो सकता है। अपेक्षित है। हालांकि, वैज्ञानिकों ने उत्पादों के मिश्रण में दो "भारी" ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ कार्बन डाइऑक्साइड भी पाया: 13С18О2 और यहां तक कि कार्बन मोनोऑक्साइड ऐसे ऑक्सीजन परमाणु के साथ 13С18О। अशुद्धता कार्बन ऑक्साइड की कुल मात्रा 35 मोल प्रतिशत तक पहुंच गई। इसका मतलब है कि कार्बन मोनोऑक्साइड 13С16О का एक अणु प्लैटिनम समावेशन पर अलग हो सकता है, और कार्बन 13С के परिणामी रेडिकल्स फिर हाइड्रॉक्सिल समूहों 18OH के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे कार्बन मोनोऑक्साइड या कार्बन डाइऑक्साइड बनता है। प्लैटिनम समावेशन की इस संपत्ति का उपयोग कार्बन मोनोऑक्साइड से जुड़ी अन्य प्रतिक्रियाओं के उत्प्रेरण में किया जा सकता है।

आदर्श उत्प्रेरक की तलाश में, केमिस्ट पहले से ही ज्ञात उत्प्रेरकों की सामग्री को संयोजित करने का प्रयास करते हैं - कभी-कभी एक साथ कई भी। पिछले हफ्ते हमने अमेरिकी वैज्ञानिकों के एक नए अध्ययन के बारे में लिखा था जो एक ही समय में दस धातुओं वाले नैनोकणों को प्राप्त करने में कामयाब रहे। यह पता चला कि कई उत्प्रेरक तंत्रों के तालमेल के कारण ऐसे उत्प्रेरक न केवल अच्छी दक्षता रखते हैं, बल्कि गर्म होने पर अपने गुणों को बेहतर बनाए रखते हैं।

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