કાર્બન ડાયોક્સાઇડની સમસ્યાનો ઉકેલ લાવવા માટે ફાઇવ-મેટલ શોટ

કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂) વિશે સામાન્ય રીતે એવી ચર્ચા કરવામાં આવે છે કે જેનાથી વિશ્વએ મુક્તિ મેળવવાની જરૂર છે. દૈનિક ઉપયોગ માટે ફોસિલ ફ્યુઅલ (અશ્મિભૂત બળતણ) નું દહન, જેમ કે વીજળી અને પરિવહન, અને ઔદ્યોગિક અનુપ્રયોગો જેવી પ્રવૃત્તિઓ મોટી માત્રામાં CO₂ મુક્ત કરે છે, અને આ વાયુ વાતાવરણમાં પ્રવેશે છે. સંશોધકો હવે પૂછી રહ્યા છે કે શું આ રસ્તામાં કોઈ રાઉન્ડઅબાઉટ હોઈ શકે છે? જો હવામાન કટોકટીના કેન્દ્રમાં રહેલા CO₂ ને કંઈક ઉપયોગી વસ્તુમાં રૂપાંતરિત કરીને ફરીથી ઔદ્યોગિક ચક્રમાં મૂકવામાં આવે તો શું?

વૈજ્ઞાનિકો આવા જ એક પ્રયાસ તરીકે ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રિડક્શનની શોધખોળ કરી રહ્યા છે કારણ કે તે પુનઃપ્રાપ્ય વીજળી દ્વારા સંચાલિત થઈ શકે છે અને પાણી આધારિત હળવી પરિસ્થિતિઓમાં કામ કરે છે. રૂપાંતરણના અંતિમ ઉત્પાદનોમાં ઉપયોગી રસાયણોનો સમાવેશ થાય છે.

એક આશાસ્પદ સ્થાન કાર્બન મોનોક્સાઇડ (CO) છે, જે રાસાયણિક ઉદ્યોગ માટે એક મહત્વપૂર્ણ બિલ્ડિંગ બ્લોક છે. પડકાર એ છે કે સામાન્ય પરિસ્થિતિઓમાં CO₂ એ ખૂબ જ સ્થિર અણુ છે. તેના કાર્બન અને ઓક્સિજન અણુઓ એકબીજા સાથે ખૂબ જ ચુસ્તપણે જોડાયેલા છે! તેથી, મોટી માત્રામાં ઊર્જાની માંગ કર્યા વિના આ જિદ્દી અણુને પ્રક્રિયા કરવા માટે પ્રોત્સાહિત કરી શકે તેવા ઉદ્દીપક (કેટેલિસ્ટ) ને શોધવું અત્યંત મહત્વપૂર્ણ છે.

આ દિશામાં એક પ્રયાસ તરીકે, ઈન્ડિયન ઈન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજી ગાંધીનગરના સંશોધકોએ દ્વિ-પરિમાણીય (two-dimensional) પદાર્થોનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો છે, જે અપવાદરૂપ રીતે ઓછી ઊર્જા જરૂરિયાતો સાથે CO₂ માંથી CO માં રૂપાંતરણને સરળ બનાવી શકે છે. તેમના તારણો npj કમ્પ્યુટેશનલ મટિરિયલ્સમાં પ્રકાશિત થયા હતા.

જે બાબત આ અભ્યાસને ખાસ કરીને રસપ્રદ બનાવે છે તે એ છે કે સંશોધકોએ બે વ્યૂહરચનાઓને એકસાથે લાવી છે જે અગાઉ મોટાભાગે અલગથી શોધવામાં આવી હતી:

• MBenes, જે ધાતુના અણુ અને બોરોન તત્વમાંથી બનેલા અત્યંત પાતળા, સ્તરવાળા, દ્વિ-પરિમાણીય પદાર્થો છે. તેમની અસામાન્ય રચના તેમને એક મોટો ખુલ્લો સપાટી વિસ્તાર આપે છે, જે તેમને ઉન્નત રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ માટે ઉત્તમ ઉમેદવાર બનાવે છે.
• ઉચ્ચ-એન્ટ્રોપી પદાર્થો (હાઇ-એન્ટ્રોપી મટિરિયલ્સ), જે રાસાયણિક રીતે વૈવિધ્યસભર સપાટી બનાવવા માટે કેટલીક ધાતુઓના મિશ્રણનો ઉપયોગ કરે છે જે ઉત્પ્રેરક પ્રતિક્રિયાના વિવિધ તબક્કામાં મદદ કરી શકે છે.

 

MBenes એ વધુ વ્યાપક રીતે અભ્યાસ કરાયેલા MXenes સાથે સંબંધિત છે, જે નેનોમટિરિયલ શીટ્સ છે જે ધાતુઓની જેમ વીજળીનું વહન કરે છે અને પાણી સાથે સરળતાથી ભળી જાય છે. MBenes પાસે બોરોન કેન્દ્ર છે જે નજીકના મેટલ લેયરને ઇલેક્ટ્રોન પુરવઠો ટ્યુન કરી શકે છે, જે સપાટીને CO₂ માં ચાર્જ ટ્રાન્સફર કરવામાં અને અન્યથા પ્રતિકારક અણુને સક્રિય કરવામાં મદદ કરે છે.

શ્રી હર્ષ ભારદ્વાજ એચ. ના જણાવ્યા અનુસાર, "જ્યારે અગાઉના અભ્યાસોએ આશાસ્પદ MBene ઉદ્દીપકોની ઓળખ કરી છે, ત્યારે તેમને સામાન્ય રીતે વધારાના ઇલેક્ટ્રિકલ બુસ્ટની જરૂર પડે છે અથવા તે મિથેન અને મિથેનોલ જેવા વધુ જટિલ ઉત્પાદનો ઉત્પન્ન કરે છે." આ અભ્યાસના પ્રથમ લેખક, શ્રી શ્રી હર્ષ, IITGN ના મટિરિયલ્સ એન્જિનિયરિંગ વિભાગમાં ચોથા વર્ષના પીએચડી સ્કોલર છે. "તેથી, અમે MBenes ના સકારાત્મક પાસાઓને હાઇ-એન્ટ્રોપી એલોય સાથે જોડવા વિશે વિચાર્યું અને CO₂ રિડક્શન માટે હાઇ-એન્ટ્રોપી MBenes ની શોધ કરી," તેમણે આગળ કહ્યું. એક ફાયદા તરીકે, વર્તમાન સંશોધન CO ઉત્પન્ન કરવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે, જે કેપ્ચર કરેલા CO₂ ને ઇંધણ અને ઔદ્યોગિક રસાયણોમાં રૂપાંતરિત કરવા માટેનો એક મુખ્ય મધ્યસ્થી છે.

કમ્પ્યુટેશનલ સ્ક્રીનિંગ સિમ્યુલેશનની શ્રેણી પછી વ્યવહારુ ઉમેદવારો તરીકે ઉભરી આવેલા 18 મિશ્રણોમાંથી, ત્રણ હાઇ-એન્ટ્રોપી MBenes કે જે અલગ તરી આવ્યા હતા તેમણે કોઈપણ વધારાના ઇલેક્ટ્રિકલ પુશની જરૂર વગર CO₂ ને અસરકારક રીતે રૂપાંતરિત કર્યું. તેમાં બોરોનની સાથે ક્રોમિયમ, નાઇઓબિયમ, ઝિર્કોનિયમ, મોલિબ્ડેનમ, ટાઇટેનિયમ, હાફનિયમ અને ટેન્ટાલમના પાંચ-ધાતુના સંયોજનો શામેલ છે.

ચુસ્તપણે બંધ બરણી ખોલવાનો પ્રયાસ કરવાની કલ્પના કરો. હળવું બળ મદદ કરશે નહીં. બીજી તરફ, અતિશય બળ કાં તો બરણીને નુકસાન પહોંચાડી શકે છે અથવા તેની સામગ્રીને ઢોળી શકે છે. જે જરૂર છે તે પકડ અને બળની યોગ્ય માત્રા છે. ત્યાં જ ત્રણ હાઇ-એન્ટ્રોપી MBenes ની પાંચ-ધાતુની ડિઝાઇન સંભવિતપણે ફાયદો ધરાવે છે.

સંશોધકોએ શોધી કાઢ્યું કે મલ્ટી-એલિમેન્ટ સિસ્ટમ્સમાં જાણીતી "કોકટેલ અસર" અનુસાર ધાતુઓ કામનું વિભાજન કરતી જણાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, ક્રોમિયમ CO₂ શોષણ (adsorption) માટે પ્રાધાન્યક્ષમ સાઇટ તરીકે કાર્ય કરે છે, જ્યારે ઝિર્કોનિયમ અને હાફનિયમ સાઇટ પર ઇલેક્ટ્રોન પહોંચાડવામાં મદદ કરે છે. એકસાથે, આ એક સાનુકૂળ વાતાવરણ ઊભું કરે છે જે CO₂ ના રૂપાંતરણને સક્રિય કરી શકે છે. આઉટપુટ, CO, નિયંત્રિત ઔદ્યોગિક સેટિંગ્સમાં સિનગેસ જેવા ઇંધણ અને રસાયણોની વિશાળ શ્રેણી બનાવવા માટે મૂલ્યવાન કાચા માલ તરીકે કાર્ય કરી શકે છે. સિનગેસ વીજળી ઉત્પન્ન કરી શકે છે અને ફ્યુઅલ સેલ્સને ઉર્જા આપી શકે છે, અન્ય કાર્યોની સાથે.

ડૉ. રાઘવન રંગનાથનના શબ્દોમાં, "આ સંભાવના વિચારપ્રેરક છે કારણ કે આવા અભિગમો એવા ભવિષ્યમાં યોગદાન આપી શકે છે જેમાં કેપ્ચર કરાયેલા CO₂ ને અર્થતંત્રમાં પાછા પરિભ્રમણ કરી શકાય છે. જ્યારે અમારી ગણતરીઓ એક આશાસ્પદ ચિત્ર સ્થાપિત કરે છે, ત્યારે ભવિષ્યના અભ્યાસોએ પ્રાયોગિક સંશ્લેષણ (experimental synthesis) અને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પરીક્ષણ પર વિચાર કરવો જોઈએ." ડૉ. રંગનાથન મટિરિયલ્સ એન્જિનિયરિંગ વિભાગમાં એસોસિએટ પ્રોફેસર છે અને કમ્પ્યુટેશનલ મોલેક્યુલર એન્જિનિયરિંગ ગ્રુપના પ્રિન્સિપલ ઇન્વેસ્ટિગેટેર છે.

આવી સામગ્રીની આશાસ્પદતા ભારતના વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજી મંત્રાલયના પ્રયાસો સાથે સુસંગત છે, જેણે કાર્બન કેપ્ચર, યુટિલાઇઝેશન અને સ્ટોરેજને 2070 સુધીમાં નેટ-ઝીરો ઉત્સર્જન તરફના એક મહત્વપૂર્ણ માર્ગ તરીકે ઓળખાવ્યું છે.

સંશોધકોએ નેશનલ સુપરકમ્પ્યુટિંગ મિશન દ્વારા સમર્થિત IITGN ખાતેની પરમ અનંત સુપરકમ્પ્યુટિંગ સુવિધાનો આભાર માન્યો હતો.

(રીલીઝ આઈડી: 2305134) મુલાકાતી સંખ્યા : 15