यूनिवर्सिटी ऑफ मिनेसोटा ट्विन सिटीज के नेतृत्व में ऊर्जा शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अभूतपूर्व उपकरण का आविष्कार किया है जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए उत्प्रेरक के रूप में उपयोग करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक रूप से एक धातु को दूसरे की तरह व्यवहार में परिवर्तित करता है। फैब्रिकेटेड डिवाइस, जिसे “कैटेलिटिक कंडेनसर” कहा जाता है, यह प्रदर्शित करने वाला पहला है कि नई गुण प्रदान करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक रूप से संशोधित वैकल्पिक सामग्री तेजी से, अधिक कुशल रासायनिक प्रसंस्करण उत्पन्न कर सकती है।
आविष्कार अक्षय ऊर्जा के भंडारण, नवीकरणीय ईंधन बनाने और टिकाऊ सामग्री के निर्माण जैसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए गैर-कीमती धातु उत्प्रेरक का उपयोग करके नई उत्प्रेरक प्रौद्योगिकियों के लिए द्वार खोलता है।
शोध ऑनलाइन प्रकाशित किया गया है जेएसीएस औ, अमेरिकन केमिकल सोसाइटी की अग्रणी ओपन एक्सेस जर्नल, जहां इसे संपादकों की पसंद प्रकाशन के रूप में चुना गया था। टीम मिनेसोटा विश्वविद्यालय के प्रौद्योगिकी व्यावसायीकरण कार्यालय के साथ भी काम कर रही है और डिवाइस पर एक अनंतिम पेटेंट है।
पिछली शताब्दी के लिए रासायनिक प्रसंस्करण ने हमारे दैनिक जीवन में उपयोग किए जाने वाले रसायनों और सामग्रियों के निर्माण को बढ़ावा देने के लिए विशिष्ट सामग्रियों के उपयोग पर भरोसा किया है। इन सामग्रियों में से कई, जैसे कीमती धातु रूथेनियम, प्लैटिनम, रोडियम और पैलेडियम में अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक सतह गुण हैं। वे धातु और धातु ऑक्साइड दोनों के रूप में कार्य कर सकते हैं, जिससे वे रासायनिक प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित करने के लिए महत्वपूर्ण हो जाते हैं।
कारों पर उत्प्रेरक कन्वर्टर्स की चोरी में वृद्धि के संबंध में आम जनता शायद इस अवधारणा से सबसे अधिक परिचित है। उत्प्रेरक कन्वर्टर्स उनके अंदर रोडियम और पैलेडियम के कारण मूल्यवान हैं। वास्तव में, पैलेडियम सोने से ज्यादा महंगा हो सकता है।
ये महंगी सामग्री अक्सर दुनिया भर में कम आपूर्ति में होती है और प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ाने में एक बड़ी बाधा बन गई है।
वैकल्पिक सामग्रियों के उत्प्रेरक गुणों को ट्यून करने के लिए इस पद्धति को विकसित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपने ज्ञान पर भरोसा किया कि सतह पर इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करते हैं। टीम ने एक सिद्धांत का सफलतापूर्वक परीक्षण किया कि एक सामग्री में इलेक्ट्रॉनों को जोड़ने और हटाने से धातु ऑक्साइड किसी ऐसी चीज में बदल सकती है जो दूसरे के गुणों की नकल करती है।
“परमाणु वास्तव में अपने इलेक्ट्रॉनों की संख्या को बदलना नहीं चाहते हैं, लेकिन हमने उत्प्रेरक कंडेनसर डिवाइस का आविष्कार किया है जो हमें उत्प्रेरक की सतह पर इलेक्ट्रॉनों की संख्या को ट्यून करने की अनुमति देता है,” मैकआर्थर फेलो और केमिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर पॉल डौएनहाउर ने कहा। मिनेसोटा विश्वविद्यालय में सामग्री विज्ञान जिन्होंने शोध दल का नेतृत्व किया। “यह रसायन विज्ञान को नियंत्रित करने और प्रचुर मात्रा में सामग्री को कीमती सामग्री की तरह बनाने के लिए एक बिल्कुल नया अवसर खोलता है।”
उत्प्रेरक की सतह पर इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने और स्थिर करने के लिए उत्प्रेरक कंडेनसर डिवाइस नैनोमीटर फिल्मों के संयोजन का उपयोग करता है। इस डिजाइन में धातुओं और धातु के आक्साइड को ग्रेफीन के साथ संयोजित करने का अनूठा तंत्र है ताकि सतहों के साथ तेजी से इलेक्ट्रॉन प्रवाह को सक्षम किया जा सके जो कि रसायन विज्ञान के लिए ट्यून करने योग्य हैं।
“विभिन्न पतली फिल्म प्रौद्योगिकियों का उपयोग करते हुए, हमने ग्रेफीन के साथ कम लागत वाली प्रचुर मात्रा में एल्यूमीनियम धातु से बने एल्यूमिना की एक नैनो-स्केल फिल्म को जोड़ा, जिसे हम तब अन्य सामग्रियों के गुणों को लेने के लिए ट्यून करने में सक्षम थे,” त्ज़िया मिंग ओन ने कहा, ए मिनेसोटा विश्वविद्यालय में पोस्ट-डॉक्टरेट शोधकर्ता जिन्होंने उत्प्रेरक कंडेनसर का निर्माण और परीक्षण किया। “उत्प्रेरक के उत्प्रेरक और इलेक्ट्रॉनिक गुणों को ट्यून करने की पर्याप्त क्षमता हमारी अपेक्षाओं से अधिक है।”
कैटेलिटिक कंडेनसर डिज़ाइन में विनिर्माण अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला के लिए एक प्लेटफ़ॉर्म डिवाइस के रूप में व्यापक उपयोगिता है। यह बहुमुखी प्रतिभा इसके नैनोमीटर निर्माण से आती है जो सक्रिय सतह परत के एक सक्षम घटक के रूप में ग्राफीन को शामिल करता है। इलेक्ट्रॉनों को स्थिर करने के लिए उपकरण की शक्ति (या “छेद” नामक इलेक्ट्रॉनों की अनुपस्थिति) एक दृढ़ता से इन्सुलेट आंतरिक परत की अलग-अलग संरचना के साथ ट्यून करने योग्य है। डिवाइस की सक्रिय परत अतिरिक्त एडिटिव्स के साथ किसी भी बेस उत्प्रेरक सामग्री को भी शामिल कर सकती है, जिसे तब महंगी उत्प्रेरक सामग्री के गुणों को प्राप्त करने के लिए ट्यून किया जा सकता है।
“हम उत्प्रेरक कंडेनसर को एक प्लेटफ़ॉर्म तकनीक के रूप में देखते हैं जिसे कई विनिर्माण अनुप्रयोगों में लागू किया जा सकता है, ” डैन फ्रिसबी, मिनेसोटा विश्वविद्यालय के केमिकल इंजीनियरिंग और सामग्री विज्ञान विभाग के प्रोफेसर और प्रमुख और अनुसंधान टीम के सदस्य ने कहा। “मुख्य डिजाइन अंतर्दृष्टि और उपन्यास घटकों को लगभग किसी भी रसायन शास्त्र में संशोधित किया जा सकता है जिसे हम कल्पना कर सकते हैं।”
टीम कुछ सबसे महत्वपूर्ण स्थिरता और पर्यावरणीय समस्याओं के लिए इसे कीमती धातुओं पर लागू करके उत्प्रेरक कंडेनसर पर अपना शोध जारी रखने की योजना बना रही है। यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी एंड नेशनल साइंस फाउंडेशन से वित्तीय सहायता के साथ, अक्षय बिजली को अमोनिया के रूप में स्टोर करने, अक्षय प्लास्टिक में प्रमुख अणुओं का निर्माण करने और स्वच्छ गैसीय अपशिष्ट धाराओं के निर्माण के लिए कई समानांतर परियोजनाएं पहले से ही प्रगति पर हैं।
उत्प्रेरक कंडेनसर का प्रायोगिक आविष्कार अमेरिकी ऊर्जा विभाग के एक बड़े मिशन का हिस्सा है, और इस काम को यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी, बेसिक एनर्जी साइंसेज कैटेलिसिस प्रोग्राम द्वारा अनुदान # DE-SC0021163 के माध्यम से वित्त पोषित किया गया था। यूएस नेशनल साइंस फाउंडेशन सीबीईटी-कैटेलिसिस प्रोग्राम (अवार्ड # 1937641) और एमआरएसईसी प्रोग्राम डीएमआर-2011401 द्वारा कैटेलिटिक कंडेनसर उपकरणों को बनाने और चिह्नित करने के लिए अतिरिक्त सहायता प्रदान की गई थी। दानदाताओं कीथ और एमी स्टीव द्वारा भी अनुदान प्रदान किया गया था। यूनिवर्सिटी ऑफ मिनेसोटा की कैरेक्टराइजेशन फैसिलिटी में इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का काम किया गया।
मैसाचुसेट्स एमहर्स्ट विश्वविद्यालय और कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा के शोधकर्ता भी अध्ययन में शामिल थे।
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