मृदा और बायोमास से विद्युत उत्प्रेरक का संश्लेषण

ओपन-एक्सेस जर्नल में हाल ही में प्रकाशित एक पेपर में कटैलिसीस टुडेशोधकर्ताओं ने ऊर्जा अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए ऑक्सीजन रिडक्शन रिएक्शन (ORR) इलेक्ट्रोकैटलिस्ट्स का उत्पादन करने के लिए पर्यावरणीय रूप से हानिकारक अपशिष्ट बायोमास पदार्थों का उपयोग करने के लिए एक हरी और आर्थिक रणनीति के लिए एक मिट्टी-टेम्पलेट विधि का मूल्यांकन किया।

में पढ़ता है: ओआरआर कटैलिसीस के लिए बायोमास कचरे से मेसोपोरस कार्बन का मृदा-टेम्पलेट संश्लेषण। छवि क्रेडिट: जेएच बिस्पो / शटरस्टॉक डॉट कॉम

पार्श्वभूमि

बढ़ती वैश्विक ऊर्जा मांग के साथ-साथ जीवाश्म ईंधन भंडार में लगातार गिरावट ने शोधकर्ताओं को वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों की तलाश करने के लिए प्रोत्साहित किया है जो पर्यावरण के अनुकूल हैं। सौर, महासागर, पवन और जल विद्युत सहित नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के अलावा, ईंधन सेल, सौर सेल और सुपरकैपेसिटर जैसे ऊर्जा उपकरणों में बायोमास सामग्री के उपयोग ने भविष्य में ऊर्जा आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए ध्यान आकर्षित किया है।

ईंधन सेल के कैथोड पर होने वाली ऑक्सीजन रिडक्शन रिएक्शन (ओआरआर) ईंधन की रासायनिक ऊर्जा को पर्यावरणीय ऑक्सीजन के साथ विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से बिजली में परिवर्तित करती है जिसमें प्रतिक्रिया की धीमी गतिज के कारण एक टिकाऊ, विद्युत रासायनिक रूप से सक्रिय और कुशल इलेक्ट्रोकैटलिस्ट शामिल होता है। प्लेटिनम (पीटी) का ओआरआर कैनेटीक्स में सबसे अच्छा उत्प्रेरक प्रदर्शन है, लेकिन इसकी कमी और उच्च लागत के कारण वांछनीय नहीं है।

चूँकि नाइट्रोजन (N) का परमाणु आकार कार्बन के समान है, जबकि अधिक विद्युतीय होने के कारण, N-डोपेड कार्बन नैनोमैटेरियल्स और अन्य हेटेरोएटम उपयुक्त इलेक्ट्रोकैटलिस्ट हैं। हालांकि, ओआरआर प्रदर्शन को बढ़ाने में एन सक्रिय साइटों के कार्य पर बहस हो रही है। इसके अलावा, कार्बन-आधारित इलेक्ट्रोकैटलिस्ट का उत्पादन महंगे तरीकों और कठोर रसायनों का उपयोग करता है, जिससे वे व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य नहीं होते हैं।

बायोमास से प्राप्त झरझरा कार्बन अंत-उत्पाद अनुप्रयोगों में आवश्यक संरचना-संपत्ति संबंधों को ट्यून करने में फायदेमंद हो सकते हैं। चूंकि अनुप्रयोग प्रदर्शन झरझरा संरचनात्मक व्यवस्था से प्रभावित हो सकता है, कई रणनीतियों जैसे कि टेम्पलेट-सहायता प्राप्त संश्लेषण, रासायनिक और भौतिक सक्रियण, और पूर्व-कार्बोनाइजेशन, दूसरों के बीच, का उपयोग किया गया है। टेम्प्लेटिंग विधियों में हार्ड टेम्प्लेटिंग शामिल है, जैसे कि ग्रेफीन ऑक्साइड और एन-डॉप्ड थ्री-डायमेंशनल (3 डी) माइक्रोपोरस कार्बन नैनोशीट्स का उपयोग करना, साथ ही सॉफ्ट टेम्प्लेटिंग, जिसमें ग्रेफाइटिक कार्बन नाइट्राइड का उपयोग शामिल है।

अध्ययन के बारे में

इस अध्ययन में, स्व-डॉप्ड झरझरा कार्बन अवशिष्ट कुक्कुट और रसोई अपशिष्ट बायोमास से हेटेरोएटम्स और कार्बन अग्रदूतों का उपयोग करके प्राप्त किया गया था। मिट्टी का उपयोग एक टेम्पलेट के साथ-साथ बायोमास अपशिष्ट अपघटन माध्यम के रूप में किया गया था। बायोमास कचरे का उपयोग करके इन मेसोपोरस कार्बन की एक टेम्पलेट-सहायता प्राप्त, रासायनिक मुक्त तैयारी का प्रस्ताव किया गया था।

टीम ने बायोमास अवशेष, हाइड्रोक्लोरिक एसिड (एचसीएल), और ईडीटीए का इस्तेमाल किया। खरीदे गए रसोई के कचरे को कुक्कुट कचरे के साथ समान द्रव्यमान अनुपात में जमीन और अच्छी तरह मिलाया गया था। बनाई गई जैव-खाद को 20 दिनों के बाद एकत्र किया गया और फिर नमी को दूर करने के लिए गर्म किया गया, इसके बाद एक समान पाउडर में पीस लिया गया। पाउडर को तब 1,100 (नमूना C3), 900 (नमूना C2), और 700 ° C (नमूना C1) पर कार्बोनेटेड किया गया था, इसके बाद सेंट्रीफ्यूजेशन किया गया जब तक कि प्रत्येक नमूने ने एक तटस्थ पीएच प्राप्त नहीं किया।

नमूना आकारिकी की जांच के लिए एक क्षेत्र उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (FESEM) का उपयोग किया गया था, जबकि नमूना डिफ्रेक्टोग्राम (XRD) को रिकॉर्ड करने के लिए एक एक्स-रे डिफ्रेक्टोमीटर का उपयोग किया गया था। थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण (TGA) का उपयोग करके नमूनों की थर्मल स्थिरता की जांच की गई, जबकि एक VG माइक्रोटेक ESCALAB 201 का उपयोग एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) करने के लिए किया गया था। इसके अलावा, नमूनों पर किए गए विद्युत रासायनिक अध्ययनों में रैखिक स्वीप वोल्टामेट्री (एलएसवी) और चक्रीय वोल्टामेट्री (सीवी) शामिल थे।

टिप्पणियों

FESEM छवियों ने नमूना C3 में 1,100 डिग्री सेल्सियस पर पोरसिटी व्यवधान दिखाया, जिसके परिणामस्वरूप 700 और 900 डिग्री सेल्सियस पर नमूनों की तुलना में छिद्र ढह गए। यह इंगित करता है कि संरचना सरंध्रता तापमान के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। सभी नमूनों ने H . के साथ एक प्रकार IV इज़ोटेर्म प्रदर्शित किया2 हिस्टैरिसीस, यह इंगित करते हुए कि वे मेसोपोरस थे और इसलिए इलेक्ट्रोकैटलिटिक अनुप्रयोगों में आशाजनक उम्मीदवार हो सकते हैं।

इसके अलावा, एक्सआरडी पैटर्न की जांच ने संकेत दिया कि सभी नमूनों में ग्रेफाइटिक संरचनाएं थीं, जो इलेक्ट्रोकैटलिस्ट की चालकता को बढ़ा सकती हैं। नमूनों के ओआरआर प्रदर्शन के लिए विद्युत रासायनिक गतिविधि के आकलन से पता चला कि सी 2 नमूने ने बाकी नमूनों से बेहतर प्रदर्शन किया।

यह आगे सभी नमूनों पर एलएसवी माप द्वारा समर्थित था। Koutecky-Levich (KL) भूखंडों का उपयोग करते हुए विद्युत रासायनिक प्रदर्शन के अतिरिक्त मूल्यांकन में निहित है कि C2 नमूने के लिए ORR प्रक्रिया द्वारा एक चार-इलेक्ट्रॉन पथ लिया गया था, जिसने सीधे O को कम कर दिया था।2 हाइड्रॉक्सिल प्रजातियों के लिए अणु।

निष्कर्ष

संक्षेप में, टीम ने प्राकृतिक रूप से विघटित बायोमास कचरे से उच्च तापमान वाले कार्बोनाइजेशन के बाद हेटेरोएटम्स के साथ पोरस कार्बन तैयार किया। 900 डिग्री सेल्सियस पर इलाज किए गए मेसोपोरस इलेक्ट्रोकैटलिस्ट ने उच्च सीमित वर्तमान घनत्व और सकारात्मक शुरुआत क्षमता के साथ बड़े ताकना आकार, उच्च रेखांकन डिग्री और सर्वोत्तम इलेक्ट्रोकैटलिटिक प्रदर्शन का प्रदर्शन किया।

लेखकों के अनुसार, यह अध्ययन घरेलू और कुक्कुट रसोई कचरे के निपटान और कुशल उपयोग के लिए एक आशाजनक रणनीति प्रदान करता है। मिट्टी एक प्राकृतिक टेम्पलेट के साथ-साथ झरझरा कार्बन के उत्पादन के लिए एक अपघटन माध्यम के रूप में कार्य करती है, जिसमें छिद्र आकार के मेसोपोरस वितरण के साथ-साथ कई हेटेरोटॉम्स का स्व-डोपिंग होता है। यह ओआरआर प्रक्रिया की दक्षता को बढ़ाता है, और यह पद्धति ऊर्जा, पर्यावरण और उत्प्रेरक अनुप्रयोगों में बेहतर परिणाम प्राप्त करने में मदद कर सकती है।

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स्रोत

जोंग-ह्योक पार्क, प्रभाशरण कौर, जिन-सू पार्क, और एसएस सेखों, ओआरआर कटैलिसीस के लिए बायोमास कचरे से मेसोपोरस कार्बन का मृदा-टेम्पलेट संश्लेषण, कटैलिसीस टुडे, (2021) डोई: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2022.08.011

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