ग्रीन अमोनिया के संश्लेषण के लिए इलेक्ट्रोकेटेलिस्ट डिजाइन विकसित

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान जोधपुर के शोधकर्ता डॉ. अमिताव बनर्जी ने अपनी टीम के साथ “हरित अमोनिया” के संश्लेषण के लिए आवश्यक नाइट्रोजन न्यूनीकरण प्रतिक्रिया / नाइट्रोजन रिडक्शन रिएक्शन (एनआरआर) के लिए एकल-परमाणु उत्प्रेरक की पहचान की है । वर्तमान में, हरित अमोनिया को संश्लेषित करने की पारंपरिक प्रक्रिया में वृहद कार्बन उत्सर्जन होता है, क्योंकि यह वैश्विक कार्बन डाइऑक्साइड का लगभग 3 प्रतिशत उत्सर्जित करता है और दुनिया के कुल ऊर्जा उत्पादन का लगभग 23 प्रतिशतउपभोग करता है । इलेक्ट्रोकेमिकल संश्लेषण का तरीका इसके संश्लेषण के लिए एक महत्वपूर्ण विकल्प हो सकता है । जहां मजबूत ‘एन-एन’ ट्रिपल बॉन्ड / त्रिबंध के कारण नाइट्रोजन रिडक्शन अभिक्रिया (एनआरआर) सबसे कठिन प्रतिक्रियाओं में से एक है, जो प्रतिस्पर्धी हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया की उपस्थिति में कई उत्प्रेरकों पर खराब नाइट्रोजन सोखना के साथ जुड़ा हुआ है । इसलिए, शोधकर्ताओं ने “हरित अमोनिया” को संश्लेषित करने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल एनआरआर पर ध्यान केंद्रित किया ।

वर्तमान में शोधकर्ता ग्रीन अमोनिया और ग्रीन यूरिया उत्पादन के लिए इलेक्ट्रोकेटेलिस्ट के डिजाइन पर ध्यान केंद्रित कर रहे है । मौजूदा पारंपरिक प्रक्रिया की तुलना में दोनों में कम या नगण्य कार्बन उत्सर्जन होगा। कृषि क्षेत्र के विकास के लिए यूरिया एक महत्वपूर्ण यौगिक है और 46 प्रतिशत नाइट्रोजन (वजन के अनुसार) की उच्च उपस्थिति के कारण यह उर्वरक उद्योग में एक प्रमुख भूमिका निभाता है। अमोनिया उर्वरक उद्योग के साथ-साथ कागज, कपड़ा, रबर उद्योगों में भी प्रमुख तत्वों में से एक है । इसके अलावा, यह ईंधन के आसान परिवहन और भंडारण के लिए हाइड्रोजन का एक संभावित वाहक हो सकता है, जो हमारे देश में मौजूदा अमोनिया पाइपलाइनों का उपयोग करके हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था को गति दे सकता है । कैटेलिसिस टुडे जर्नल में टीम द्वारा वर्तमान में प्रकाशित शोध पत्रों में से एक डीओआई: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2023.114079 है ।

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान जोधपुर के धातुकर्म एवं सामग्री अभियांत्रिकी विभाग के सहायक प्रोफेसर डॉ. अमिताव बनर्जी ने इस शोध के महत्व के बारे में बात करते हुए कहा कि अमोनिया के इलेक्ट्रोकेमिकल संश्लेषण में हुई हालिया वृद्धि ने नाइट्रोजन रिडक्शन अभिक्रिया (एनआरआर) उत्प्रेरक की अपर्याप्तता को उजागर किया है । इसलिए, हमारे समूह का प्राथमिक उद्देश्य एनआरआर उत्प्रेरक को कम्प्यूटेशनल रूप से डिजाइन करना और प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त एनआरआर उत्प्रेरक तंत्र के लिए अंतर्दृष्टि प्रदान करना है।

उन्होंने आगे यह भी बताया कि “हमारी शोध पद्धति में घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत आधारित उपकरणों की गहन समझ शामिल है जिसमें उच्च-स्तरीय संरचनात्मक खोज और सामग्री सूचना विज्ञान का अध्ययन शामिल हैं । ताकि हम एक व्यापक संरचना स्थान के साथ-साथ संबंधित सामग्री संरचनाओं को कुशलतापूर्वक शामिल कर सकें। इसमें कोई संदेह नहीं है कि यह परमाणु डिजाइन अंतर्दृष्टि उपयुक्त एनआरआर उत्प्रेरक की खोज के लिए प्रयोगात्मक समय के साथ-साथ संसाधन-व्यय को भी कम कर देगी।”

नाइट्रोजन रिडक्शन अभिक्रिया (एनआरआर) के क्रियान्वित होने के विभिन्न तरीके हैं और प्रत्येक उत्प्रेरक अपनी प्रभावशीलता के संदर्भ में अलग-अलग व्यवहार करता है, जो अधिकतर संक्रमण धातु आधारित होता है । भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान जोधपुर में शोधकर्ताओं द्वारा एनआरआर के लिए पहचाने गए दो आशाजनक एकल परमाणु उत्प्रेरक (एसएसी) तत्व हैं:
• लोह (Fe) और मैगनीशियम (Mn) आधारित एकल परमाणु उत्प्रेरक में क्रमशः डिस्टल और परिवर्तन प्रक्रिया में अन्य 3-डी श्रृंखला तत्वों की तुलना में सबसे कम अतिसंभाव्य है।
• इन उत्प्रेरकों ने प्रतिस्पर्धी हाइड्रोजन विकास अभिक्रिया की तुलना में एनआरआर के लिए बेहतर चयनात्मकता को भी दर्शाया है।

शोधकर्ताओं ने अन्य संभावित सामग्री रसायन विज्ञान विकल्पों का भी पता लगाया यानि एक विकल्प धातु नाइट्राइड का उपयोग कर रहा है, जो मार्स -वैन क्रेवेलेन (एमवीके) तंत्र नामक तंत्र के माध्यम से एनआरआर को ट्रिगर करने के लिए एक प्राकृतिक विकल्प है । शोधकर्ताओं ने एक अन्य विकल्प का पता लगाया जो धातु ऑक्सीनाइट्राइड (AxByOwNz के रूप में दर्शाया गया है) है । यह नाइट्रोजन रिडक्शन अभिक्रिया के लिए सामग्री का एक कम खोजा गया वर्ग है, और इसमें बहुत अधिक क्षमता है।

एनआरआर उत्प्रेरक के लिए चल रही खोज के विस्तार के रूप में, समूह ने दो अलग-अलग धातुओं को शामिल करने वाले एक उत्प्रेरक तंत्र की भी खोज की है । यह तंत्र कुशलतापूर्वक नाइट्रोजन-नाइट्रोजन (N-N) त्रिबंध को सक्रिय करता है और कार्बन-नाइट्रोजन (C-N) बंध के गठन को बढ़ावा देता है, जिससे अंततः पर्यावरण के अनुकूल यूरिया का उत्पादन होता है।

शोधकर्ताओं का लक्ष्य भविष्य का अनुसंधान विभिन्न नाइट्रोजन प्रदूषकों से अमोनिया के विद्युत रासायनिक संश्लेषण की खोज करना है। डॉ अमिताव बनर्जी के नेतृत्व में भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान जोधपुर की प्रयोगशाला “हरित अमोनिया” के संश्लेषण के लिए इलेक्ट्रोकेटेलिस्ट के डिजाइन पर काम कर रही है जो वर्तमान में विज्ञान और इंजीनियरिंग अनुसंधान बोर्ड, एसईआरबी (डीएसटी)-एसआरजी द्वारा वित्त पोषित है।