सार:
लंबे समय से, वैज्ञानिक आमतौर पर मानते रहे हैं कि संश्लेषण गैस में मीथेन के आंशिक ऑक्सीकरण की प्रक्रिया में, यह धातु निकल नैनोकण हैं जो वास्तव में उत्प्रेरक भूमिका निभाते हैं। हालाँकि, एक नए अध्ययन से पता चलता है कि यह व्यापक रूप से स्वीकृत धारणा सटीक नहीं हो सकती है। डालियान इंस्टीट्यूट ऑफ केमिकल फिजिक्स, चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं ने पाया कि उच्च तापमान प्रतिक्रियाओं के दौरान निकल उत्प्रेरक गतिशील पुनर्निर्माण से गुजरते हैं। वास्तव में कुशल सक्रिय केंद्र पारंपरिक अर्थों में धात्विक निकल नहीं हो सकता है, बल्कि प्रतिक्रिया के दौरान सीधे निकल ऑक्साइड की सतह पर बनने वाली एक विशेष परमाणु संरचना हो सकती है।
यह अध्ययन "नेचर कैटालिसिस" में प्रकाशित हुआ था। शोधकर्ताओं ने मीथेन की आंशिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे पीओएम भी कहा जाता है। यह प्रतिक्रिया मीथेन को सिनगैस में परिवर्तित कर सकती है। मुख्य उत्पाद कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोजन हैं। सिनगैस ईंधन और विभिन्न रासायनिक उत्पादों के उत्पादन के लिए एक महत्वपूर्ण कच्चा माल है। इसलिए, सिनगैस का उत्पादन करने के लिए मीथेन का अधिक कुशलता से उपयोग कैसे किया जाए, यह हमेशा औद्योगिक उत्प्रेरण के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण शोध दिशा रही है।
पारंपरिक दृष्टिकोण यह है कि धातु निकल नैनोकण इस प्रतिक्रिया में मुख्य सक्रिय केंद्र हैं। निकेल की अपेक्षाकृत कम कीमत और मजबूत मीथेन सक्रियण क्षमता है, इसलिए इसे लंबे समय से मीथेन रूपांतरण उत्प्रेरक के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी समस्या का भी पता लगाया जिसे समझाना मुश्किल था: प्रतिक्रिया के बाद पाया गया धातु निकेल जरूरी नहीं कि प्रतिक्रिया वास्तव में होने पर उत्प्रेरण के लिए जिम्मेदार संरचना हो।
उच्च तापमान और रेडॉक्स वातावरण में, निकल की स्थिति बदलती रहेगी। प्रतिक्रिया की शुरुआत में मौजूद धात्विक निकल जल्दी से निकल ऑक्साइड में ऑक्सीकृत हो सकता है, और प्रतिक्रिया के दौरान कमी और पुनर्व्यवस्था हो सकती है। क्योंकि उच्च तापमान पर काम करते समय उत्प्रेरक की परमाणु संरचना का प्रत्यक्ष रूप से निरीक्षण करना मुश्किल होता है, इसलिए वैज्ञानिकों के लिए यह निर्धारित करना मुश्किल हो गया है कि उत्प्रेरक प्रतिक्रिया के लिए वास्तव में कौन सी निकल संरचना जिम्मेदार है।
इस शोध दल ने प्रयोगों और सैद्धांतिक गणनाओं के माध्यम से पता लगाया कि जब उत्प्रेरक वास्तव में काम करता है, तो यह एक सक्रिय संरचना बनाएगा जिसे पहले पूरी तरह से नहीं समझा गया है। शोधकर्ताओं ने एक Ni/Al₂O₃ उत्प्रेरक तैयार किया जिसमें वजन के हिसाब से केवल 0.8% निकल था और पाया कि निकेल की इतनी कम मात्रा के साथ भी, उत्प्रेरक अभी भी बहुत मजबूत मीथेन आंशिक ऑक्सीकरण प्रदर्शन प्रदर्शित कर सकता है।
प्रायोगिक परिस्थितियों में, यह कम-लोडिंग उत्प्रेरक 92% की मीथेन रूपांतरण दर प्राप्त कर सकता है, और कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोजन की चयनात्मकता क्रमशः 87.0% तक पहुंच जाती है, जबकि हाइड्रोजन से कार्बन मोनोऑक्साइड का दाढ़ अनुपात लगभग 2.0 पर स्थिर रहता है। सिनगैस के बाद के औद्योगिक उपयोग के लिए यह अनुपात बहुत महत्वपूर्ण है।
इससे भी अधिक आश्चर्य की बात यह है कि प्रतिक्रिया के बाद, शोधकर्ताओं को लगभग कोई धातु निकल नहीं मिला। कहने का तात्पर्य यह है कि, हालांकि पारंपरिक सिद्धांत का मानना है कि धातु निकल मुख्य सक्रिय केंद्र होना चाहिए, नमूनों में पारंपरिक अर्थ में लगभग कोई धातु निकल नहीं है जो वास्तव में मजबूत उत्प्रेरक क्षमता दिखाते हैं।
फिर शोधकर्ताओं ने इस कम-लोडिंग उत्प्रेरक की तुलना 8.0% निकल युक्त उच्च-लोडिंग Ni/Al₂O₃ उत्प्रेरक से की। उत्तरार्द्ध पारंपरिक संसेचन विधि द्वारा तैयार किया गया है, और निकल सामग्री पूर्व की तुलना में लगभग दस गुना अधिक है। हालाँकि, मीथेन की आंशिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया में दोनों का प्रदर्शन काफी समान है।
इसका मतलब यह है कि यदि शोधकर्ताओं द्वारा खोजे गए उत्प्रेरक तंत्र को वास्तविक उत्प्रेरक डिजाइन पर आगे लागू किया जा सकता है, तो समान उत्प्रेरक प्रदर्शन को बनाए रखते हुए उत्प्रेरक में निकल की मात्रा को परिमाण के क्रम से कम करना संभव होगा। यह न केवल कीमती धातुओं के अलावा निकल संसाधनों की खपत को कम कर सकता है, बल्कि उत्प्रेरक विनिर्माण लागत को भी कम कर सकता है।
तुलना में, एक अन्य उत्प्रेरक जिसमें केवल 0.8% निकल था, लेकिन पारंपरिक संसेचन विधि द्वारा तैयार किया गया था, ने काफी खराब प्रदर्शन किया। बिल्कुल समान प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत, सामग्री ने मुख्य रूप से मीथेन के पूर्ण दहन को बढ़ावा दिया, बजाय आंशिक ऑक्सीकरण के जिसकी शोधकर्ताओं ने आशा की थी।
यह परिणाम दिखाता है कि उत्प्रेरक में कितना निकल शामिल है, यह केवल उसके उत्प्रेरक प्रदर्शन को निर्धारित नहीं कर सकता है। निकेल क्या रूप लेता है, परमाणु कैसे व्यवस्थित होते हैं, और प्रतिक्रियाओं के दौरान ये संरचनाएं कैसे बदलती हैं, यह केवल निकेल सामग्री को बढ़ाने से अधिक महत्वपूर्ण हो सकता है।
इसके बाद शोधकर्ताओं ने प्रतिक्रिया के दौरान निकल में होने वाले बदलावों को ट्रैक किया। प्रयोग की शुरुआत में, धातु निकल नैनोकण वास्तव में उत्प्रेरक में मौजूद थे, लेकिन वे प्रतिक्रिया वातावरण में जल्दी से ऑक्सीकरण हो गए और निकल ऑक्साइड चरण में बदल गए। यह खोज मुख्य सक्रिय केंद्र के रूप में धात्विक निकल की पारंपरिक समझ के साथ स्पष्ट रूप से विरोधाभास में है।
हालाँकि, शुद्ध निकल ऑक्साइड स्वयं प्रयोगात्मक परिणामों की व्याख्या नहीं कर सकता है। शोधकर्ताओं ने विशेष रूप से परीक्षण के लिए एक पूर्वनिर्मित शुद्ध-चरण निकल ऑक्साइड उत्प्रेरक तैयार किया, और पाया कि इस सामग्री में लगभग कोई आंशिक मीथेन ऑक्सीकरण गतिविधि नहीं थी, लेकिन मुख्य रूप से मीथेन के पूर्ण ऑक्सीकरण को बढ़ावा दिया।
असली कुंजी निकल ऑक्साइड की सतह पर दिखाई देती है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि मीथेन की आंशिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया के दौरान, NiO सतह परमाणु-पैमाने पर संरचनात्मक पुनर्निर्माण से गुजरती है और एक विशेष [Ni₁O₄Ni₄] संरचनात्मक इकाई बनाती है। यह संरचना कोई निश्चित संरचना नहीं है जो प्रतिक्रिया शुरू होने से पहले ही उत्प्रेरक में मौजूद होती है, बल्कि वास्तविक प्रतिक्रिया वातावरण में गतिशील रूप से बनती है।
दूसरे शब्दों में, उत्प्रेरक की वास्तविक कार्यशील स्थिति उस सामग्री से पूरी तरह भिन्न हो सकती है जो प्रतिक्रिया से पहले प्रयोगकर्ता के हाथ में आई थी। उत्प्रेरक एक स्थिर ठोस सतह नहीं है, बल्कि एक गतिशील प्रणाली है जो तापमान, गैस संरचना और अभिकारकों के परिवर्तन के रूप में लगातार पुनर्गठित होती है।
शोधकर्ताओं ने इस विशेष संरचना के उत्प्रेरक प्रभाव का और अधिक विश्लेषण करने के लिए घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत का उपयोग किया, जिसे डीएफटी गणना के रूप में भी जाना जाता है। गणना के नतीजे बताते हैं कि [Ni₁O₄Ni₄] संरचना मीथेन में कार्बन-हाइड्रोजन बंधन को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा अवरोध को काफी कम कर सकती है।
इस पुनर्निर्मित संरचना पर, मीथेन सी-एच बांड दरार के लिए गणना की गई सक्रियण ऊर्जा केवल 12.5 किलो कैलोरी प्रति मोल है, जबकि बरकरार NiO (100) सतह पर संबंधित ऊर्जा अवरोध 38.5 किलो कैलोरी प्रति मोल जितना अधिक है।
यहां तक कि धातु नी (111) सतह, जिसे पारंपरिक रूप से एक कुशल सक्रिय केंद्र माना जाता है, की गणना की गई ऊर्जा बाधा 15.7 किलो कैलोरी प्रति मोल है, जो इस बार खोजी गई पुनर्निर्मित संरचना से अधिक है।
इसका मतलब है कि सैद्धांतिक गणना के दृष्टिकोण से, प्रतिक्रिया के दौरान बनने वाली [Ni₁O₄Ni₄] संरचना पारंपरिक धातु निकल सतह की तुलना में मीथेन को सक्रिय करना आसान है। प्रायोगिक परिणाम और सैद्धांतिक गणना अंततः एक ही निष्कर्ष की ओर इशारा करते हैं: यह गतिशील रूप से निर्मित परमाणु संरचना मीथेन आंशिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया का वास्तविक प्रमुख सक्रिय केंद्र होने की संभावना है।
इस खोज का महत्व न केवल एक नई निकल उत्प्रेरक संरचना खोजने में है, बल्कि इसमें भी है कि यह वैज्ञानिकों के उत्प्रेरक का निरीक्षण करने के तरीके को बदल देता है।
अतीत में, शोधकर्ता आमतौर पर प्रतिक्रिया से पहले और बाद में उत्प्रेरक की स्थिति का विश्लेषण करते थे, और फिर सामग्री संरचना के आधार पर इसके कार्य तंत्र का अनुमान लगाते थे। लेकिन यदि उत्प्रेरक वास्तविक कार्य प्रक्रिया के दौरान लगातार बदल रहा है, तो प्रतिक्रिया से पहले या बाद में सामग्री का अवलोकन करने से सबसे महत्वपूर्ण सक्रिय संरचना छूट सकती है।
शोध टीम इसलिए इस बात पर जोर देती है कि उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करते समय, उत्प्रेरक को यथासंभव वास्तविक कामकाजी परिस्थितियों में यथास्थान चित्रित किया जाना चाहिए। केवल उच्च तापमान, उच्च दबाव और वास्तविक प्रतिक्रिया वातावरण में उत्प्रेरक की स्थिति का अवलोकन करके ही हम उस सक्रिय केंद्र का सटीक पता लगा सकते हैं जो वास्तव में एक भूमिका निभाता है।
"गतिशील उत्प्रेरण" की इस अवधारणा का यह भी अर्थ है कि भविष्य में उत्प्रेरकों को डिजाइन करते समय, एक निश्चित संरचना का अनुसरण करना आवश्यक नहीं है जो शुरू से अंत तक स्थिर रहे। इसके बजाय, सामग्रियों को जानबूझकर विशिष्ट प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत सक्रिय रूप से पुनर्गठित करने और सक्रिय संरचनाएं बनाने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है जो विशिष्ट रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए सबसे उपयुक्त हैं।
औद्योगिक उत्प्रेरण के लिए, यह एक नया डिज़ाइन विचार खोल सकता है। पारंपरिक तरीके अक्सर धातु लोडिंग को बढ़ाकर सक्रिय साइटों की संख्या में वृद्धि करते हैं, लेकिन इस अध्ययन से पता चलता है कि यदि सामग्री संरचना को नियंत्रित किया जा सकता है ताकि प्रतिक्रिया के दौरान धातु की बहुत छोटी मात्रा अत्यधिक सक्रिय परमाणु संरचना बना सके, तो उच्च उत्प्रेरक दक्षता बनाए रखते हुए उपयोग की जाने वाली धातु की मात्रा को काफी कम करना संभव है।
शोधकर्ताओं का मानना है कि इस तंत्र का उपयोग भविष्य में अधिक कुशल मीथेन रूपांतरण उत्प्रेरक विकसित करने और उच्च धातु लोडिंग पर निर्भरता को कम करने के लिए किया जा सकता है। प्राकृतिक गैस रूपांतरण, सिनगैस उत्पादन और संबंधित रासायनिक उद्योगों के लिए, आगे औद्योगीकरण लागत और ऊर्जा दक्षता में सुधार ला सकता है।
अधिक व्यापक रूप से, यह शोध वैज्ञानिकों की अन्य उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं की समझ को भी प्रभावित कर सकता है। शोधकर्ताओं ने बताया कि समान प्रतिक्रिया-संचालित संरचनात्मक पुनर्निर्माण घटनाएं न केवल निकल उत्प्रेरक में मौजूद हो सकती हैं। अन्य संक्रमण धातुएं और यहां तक कि कुछ गैर-धातु उत्प्रेरक सामग्री भी सक्रिय संरचनाएं बना सकती हैं जिन्हें वास्तविक कार्य प्रक्रिया में पहले नहीं देखा गया है।
इसलिए, भविष्य के उत्प्रेरक अनुसंधान केवल "मूल रूप से उत्प्रेरक क्या है" के बजाय "उत्प्रेरक जब काम करता है तो क्या बनता है" के सवाल पर अधिक से अधिक ध्यान दे सकता है।
निकल उत्प्रेरकों के लिए, यह शोध अंततः जो खुलासा करता है वह यह नहीं है कि पारंपरिक धातु निकल सिद्धांत पूरी तरह से अमान्य है, बल्कि यह है कि उत्प्रेरक प्रक्रिया पहले की तुलना में अधिक जटिल है। धातुई निकल उत्प्रेरक निर्माण और पुनर्निर्माण की प्रक्रिया में शामिल हो सकता है, लेकिन जो वास्तव में सीधे मीथेन सक्रियण का कार्य करता है वह निकल ऑक्साइड की सतह पर गतिशील रूप से उत्पन्न होने वाली परमाणु-स्तर की संरचना हो सकती है।
यदि इस तंत्र को अधिक प्रयोगों द्वारा सत्यापित किया जाता है और इसे वास्तविक औद्योगिक उत्प्रेरक तक बढ़ाया जा सकता है, तो भविष्य में सिनगैस का उत्पादन करने के लिए आवश्यक निकल की मात्रा काफी कम हो सकती है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह अध्ययन एक बार फिर साबित करता है कि उत्प्रेरण विज्ञान के क्षेत्र में, जो वास्तव में प्रतिक्रिया दक्षता निर्धारित करता है वह स्वयं सामग्री लेबल नहीं हो सकता है, बल्कि वास्तविक प्रतिक्रिया वातावरण में सामग्री में तुरंत बनने वाली बेहद छोटी और यहां तक कि अल्पकालिक परमाणु संरचनाएं हो सकती हैं।
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