जापानी शोधकर्ताओं की एक टीम ने पारंपरिक तरीकों की तुलना में नाटकीय रूप से कम तापमान और दबावों पर अमोनिया का उत्पादन करने के लिए एक उपन्यास तरीका खोजा है, संभवतः इस महत्वपूर्ण रसायन के उत्पादन को बदल रहा है। नेचर केमिस्ट्री में आज प्रकाशित होने वाली सफलता, वैश्विक अमोनिया उत्पादन के बड़े पैमाने पर कार्बन पदचिह्न को काफी कम कर सकती है, जो वर्तमान में विश्व ऊर्जा की खपत का लगभग 2% है।
इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस टोक्यो में प्रोफेसर मसाकी किटानो के नेतृत्व में शोध टीम ने एक नया उत्प्रेरक विकसित किया, जो लोहे या रूथेनियम जैसी पारंपरिक संक्रमण धातुओं पर भरोसा किए बिना नाइट्रोजन को अमोनिया में कुशलता से बदल सकता है। यह विकास रासायनिक निर्माण में पारंपरिक ज्ञान की एक सदी को चुनौती देता है।
किटानो बताते हैं, “हमने अपने अद्वितीय क्रिस्टल संरचना और रासायनिक गुणों के कारण हमारे उपन्यास उत्प्रेरक के संश्लेषण के लिए ट्रिबेरियम सिलिकेट (BA3SIO5) पर ध्यान केंद्रित किया है, जिससे ऊर्जा की आवश्यकताओं को कम करने और परिचालन की स्थिति को कम करने की क्षमता की पेशकश की गई है,” सामग्री।
नया उत्प्रेरक, जिसे BA3SIO5-XNYHZ कहा जाता है, अपने क्रिस्टल संरचना में परमाणु-स्केल रिक्तियों को शामिल करने वाले पहले से अनदेखे तंत्र के माध्यम से संचालित होता है। ये नैनोस्कोपिक “छेद” सक्रिय साइटों के रूप में काम करते हैं जहां नाइट्रोजन अणुओं को पकड़ लिया जा सकता है और पारंपरिक प्रक्रियाओं की तुलना में बहुत अधिक लाभ की स्थिति में अमोनिया में परिवर्तित किया जा सकता है।
इस खोज को विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाता है कि उत्प्रेरक संक्रमण धातुओं के बिना काम करता है – अमोनिया संश्लेषण के लिए पहला। जब शोधकर्ताओं ने प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए रूथेनियम की एक छोटी राशि जोड़ी, तो उन्हें कुछ अप्रत्याशित पाया गया: रूथेनियम ऐसा नहीं कर रहा था जो वैज्ञानिकों ने सोचा था कि यह होगा।
उत्प्रेरक ने केवल 300 डिग्री सेल्सियस पर प्रति घंटे 40.1 मिलीमीटर प्रति घंटे की अमोनिया संश्लेषण दर हासिल की – पारंपरिक औद्योगिक प्रक्रियाओं की तुलना में एक तापमान बहुत कम है जो आमतौर पर 400 डिग्री सेल्सियस से ऊपर संचालित होता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह प्रदर्शन तुलनीय परिस्थितियों में मौजूदा उत्प्रेरक को पार करता है।
विकास प्रक्रिया ने ही एक महत्वपूर्ण नवाचार का प्रतिनिधित्व किया। टीम ने 400-700 डिग्री सेल्सियस के बीच तापमान पर अपने उत्प्रेरक को संश्लेषित किया, जो पारंपरिक सामग्रियों के लिए आवश्यक 1100-1400 डिग्री सेल्सियस से कम है। यह कम संश्लेषण तापमान न केवल उत्पादन को अधिक ऊर्जा-कुशल बनाता है, बल्कि सामग्री के गुणों के बेहतर नियंत्रण के लिए भी अनुमति देता है।
इस खोज के निहितार्थ सिर्फ अमोनिया उत्पादन से परे हैं। अनुसंधान उत्प्रेरक डिजाइन के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदर्शित करता है जो संभावित रूप से अन्य महत्वपूर्ण रासायनिक प्रक्रियाओं पर लागू किया जा सकता है। यह विभिन्न उद्योगों में अधिक टिकाऊ रासायनिक निर्माण विधियों को विकसित करने के लिए नए रास्ते खोल सकता है।
सामग्री ने उल्लेखनीय स्थिरता दिखाई, विस्तारित अवधि में अपने प्रदर्शन को बनाए रखते हुए – औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण कारक। जब निरंतर संचालन के 150 घंटे के लिए परीक्षण किया जाता है, तो उत्प्रेरक ने प्रदर्शन में कोई गिरावट नहीं दिखाई, जो कि अपनी रचना द्वारा समझाया जा सकता है, उससे अधिक अमोनिया का उत्पादन किया जा सकता है, यह साबित करते हुए कि यह वास्तव में केवल विघटित होने के बजाय प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित कर रहा था।
औद्योगिक अमोनिया उत्पादन, जिसका उपयोग मुख्य रूप से उर्वरकों के लिए किया जाता है, वर्तमान में सदी पुरानी हैबर-बॉश प्रक्रिया पर निर्भर करता है, जो 450 डिग्री सेल्सियस के आसपास तापमान पर संचालित होता है और 300 वायुमंडल तक दबाव डालता है। इस प्रक्रिया की ऊर्जा-गहन प्रकृति इसे वैश्विक कार्बन उत्सर्जन में महत्वपूर्ण योगदान देती है। कम तापमान और दबावों पर काम करने वाला नया उत्प्रेरक, इस पर्यावरणीय प्रभाव को काफी हद तक कम कर सकता है।
शोधकर्ता अब प्रक्रिया को बढ़ाने और औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उत्प्रेरक को अनुकूलित करने पर काम कर रहे हैं। जबकि चुनौतियां प्रयोगशाला की सफलता को औद्योगिक पैमाने पर अनुवाद करने में बनी हुई हैं, यह समझने में मौलिक सफलता कैसे गैर-संक्रमण धातु उत्प्रेरक नाइट्रोजन अणुओं को सक्रिय कर सकती है, स्थायी रासायनिक उत्पादन के लिए नई संभावनाएं खोलती है।
द इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस टोक्यो, नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर मटेरियल्स साइंस, और तोहोकू विश्वविद्यालय के बीच सहयोग में आयोजित किया गया काम, अधिक टिकाऊ रासायनिक विनिर्माण प्रक्रियाओं की ओर एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करता है, जो संभवतः दुनिया की सबसे अधिक ऊर्जा-गहन औद्योगिक प्रक्रियाओं में से एक को फिर से आकार देता है।
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