बेहतर मिश्र धातुओं के साथ ईंधन में गैस को बदलना

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Anonim

पिछले दशक में तेल और गैस अच्छी तरह से उत्तेजना में तकनीकी प्रगति अब भूमिगत चट्टानों में फंस गई शेल गैस से प्राकृतिक गैस के उत्पादन की अनुमति देती है। शेल गैस की उपलब्धता में अचानक वृद्धि के साथ, वैज्ञानिकों ने कार्बन-हाइड्रोजन (सी-एच) सक्रियण में रुचि हासिल की है, सी-एच बॉन्ड को गैसों जैसे गैसों से तोड़ने की प्रक्रिया को हाइड्रोकार्बन की श्रृंखला बनाने के लिए ईंधन के रूप में उपयोग किया जा सकता है। ।

लेकिन वैज्ञानिक इन ईंधन को शेल गैस से जोड़ने का एक लंबा सफर तय कर रहे हैं- सी-एच सक्रियण के लिए अधिकांश उत्प्रेरक बहुत अधिक हाइड्रोजन परमाणुओं को तोड़ते हैं, जो एक अवांछित कार्बन ठोस कोक कहते हैं।

कोयला प्रतिरोधी रहते हुए सी-एच सक्रियण के उत्प्रेरक के रूप में काम करने वाले धातु मिश्र धातु की इच्छा रखते हुए, टफट्स यूनिवर्सिटी में चार्ल्स साइक्स की अगुआई वाली एक टीम ने प्रतिक्रियाशील धातु प्लैटिनम और निष्क्रिय धातु तांबा से बने मिश्र धातु की कल्पना की। प्रयोगशाला प्रयोगों की एक श्रृंखला में, साइक्स की टीम ने शुद्ध तांबे, शुद्ध प्लैटिनम और प्लैटिनम-तांबे एकल-परमाणु मिश्र धातु (एसएए) को देखा, ताकि मीथेन-व्युत्पन्न हाइड्रोकार्बन, अणुओं के साथ प्रत्येक सामग्री की बातचीत को निर्धारित किया जा सके जो शेल गैस में स्वाभाविक रूप से पाए जाते हैं। टीम ने पाया कि प्लैटिनम-तांबे एसएए कोकिंग के लिए प्रतिरोधी था।

इस खोज के बाद, विश्वविद्यालय कॉलेज लंदन में माइकल स्टामाटाकिस के नेतृत्व में मल्टीस्केल कम्प्यूटेशनल कैटलिसिस एंड मैटेरियल्स साइंस ग्रुप ने ओक रिज लीडरशिप कंप्यूटिंग सुविधा (ओएलसीएफ) में उच्च प्रदर्शन कंप्यूटिंग (एचपीसी) संसाधनों का उपयोग सिमुलेशन के प्रयोगों के विवरणों को अनमास्क करने के लिए किया था। मैथ्यू डार्बी, उस समय एक पोस्टडोक्टरेट और अब ब्रिटेन के इंजीनियरिंग और भौतिक विज्ञान अनुसंधान परिषद के प्राप्तकर्ता, स्टैमाटाकिस समूह में काम कर रहे डॉक्टरेट पुरस्कार ने परियोजना के लिए गणना की।

डार्बी ने पाया कि कम तापमान पर, प्लैटिनम तेजी से मीथेन से हाइड्रोजन को स्ट्रिप करता है, जिससे कार्बन जमा का गठन होता है; तांबे उच्च तापमान को छोड़कर सी-एच बॉन्ड तोड़ने में असमर्थ है। हालांकि, टीम के प्लैटिनम-तांबे मिश्र धातु को कोक बनाने के बिना इंटरमीडिएट तापमान पर सी-एच बॉन्ड को प्रभावी ढंग से तोड़ने के लिए पाया गया था। शुद्ध तांबा की तरह, मिश्र धातु भी मीथेन की दो-तीन-अणु श्रृंखला बनाने में सक्षम था-और तांबे की आवश्यकता के मुकाबले 100 डिग्री सेल्सियस कूलर से अधिक तापमान पर इसे प्राप्त कर सकता था।

"ये गणना बहुत कम्प्यूटेशनल रूप से महंगे हैं। कुछ के लिए, यदि आप उन्हें अपने लैपटॉप पर चलाते हैं, तो एक गणना चलाने में कई महीने लग सकते हैं, " डार्बी ने कहा। "ओएलसीएफ में, इसमें शायद एक या दो दिन लग सकते हैं क्योंकि आपके पास काम करने के लिए सैकड़ों कोर हैं।"

ओएलसीएफ में शक्तिशाली सुपरकंप्यूटर, डीओई के ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी में स्थित एक अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा कार्यालय, ऊर्जा, सामग्री, रसायन शास्त्र और कई अन्य वैज्ञानिक डोमेन में जटिल वैज्ञानिक समस्याओं का समाधान करता है। टीम के अनुकरण के परिणाम प्लेटिनम और तांबे प्रतिक्रियाओं को मीथेन के साथ समझाते हैं और एक नया कोक प्रतिरोधी उत्प्रेरक प्रदान करते हैं।

इस नए ज्ञान के साथ सशस्त्र, टफट्स के प्रयोगात्मकवादियों ने प्रक्रिया में और भी अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए एक वास्तविक रासायनिक संयंत्र के प्रदर्शन की एक माइक्रो्रोलवेल प्रतिकृति बनाई। परियोजना दर्शाती है कि सिद्धांत को बड़े पैमाने पर प्रयोगात्मक काम के लिए मंच स्थापित करके मौलिक समझ प्रदान करके प्रयोगों को परिशोधित करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।

एक कोकिंग समस्या

हाइड्रोकार्बन अणुओं की श्रृंखला के रूप में मौजूद सामान्य ईंधन में प्रोपेन शामिल होता है, जो अक्सर गर्मी के लिए भट्टियों में उपयोग किया जाता है, और ब्यूटेन, अधिकांश लाइटर में तरल पाया जाता है। सी-एच सक्रियण का उपयोग करके, वैज्ञानिक सरलतम हाइड्रोकार्बन-मीथेन के भीतर प्रतिक्रियाओं को जंपस्टार्ट कर सकते हैं-और इन अणुओं को उपयोगी ईंधन बनाने के लिए एक साथ जोड़ने के लिए प्रोत्साहित करते हैं। चूंकि शेल संरचनाएं प्रचुर मात्रा में हैं और लंबे हाइड्रोकार्बन (उदाहरण के लिए, कच्चे तेल) के स्रोत कम चल रहे हैं, वैज्ञानिक इन ईंधन में उत्प्रेरक रूप से मीथेन को परिवर्तित करने के तरीकों की खोज कर रहे हैं।

प्लैटिनम और निकल जैसे संक्रमण धातु प्रभावी उत्प्रेरक हैं, लेकिन वे बड़ी मात्रा में अवरोधक कोक जमा को भी बनाते हैं। कार्बन कोट की यह परत धातु के शीर्ष को कोट करती है, शेष धातु सामग्री के साथ प्रतिक्रिया करने में असमर्थ शेष मीथेन अणुओं को प्रस्तुत करती है।

डार्बी ने कहा, "कोक औद्योगिक रसायन शास्त्र में एक बड़ी समस्या है।" "एक बार जमा होने के बाद, आपको अपने धातु को रिएक्टर से बाहर ले जाना होगा, इसे साफ कर देना होगा, और इसे वापस रख देना होगा। इसमें या तो विशाल रासायनिक संयंत्र को बंद करना या धातु को खतरनाक रूप से उच्च तापमान में गर्म करना शामिल है।"

मीथेन, प्लैटिनम और निकल से दूर हाइड्रोजन को तेजी से तोड़ने की उनकी क्षमता के प्रति प्रतिकूल, कोकिंग के कारण लंबी श्रृंखला वाले हाइड्रोकार्बन बनाने पर सीमित हैं। हाल ही में वैज्ञानिकों ने प्लैटिनम या निकल जैसे सक्रिय धातु से बना मिश्र धातु और तांबा या चांदी जैसे निष्क्रिय धातु की मांग की है। लेकिन इन प्रकार के मिश्र धातुओं के साथ भी, कोकिंग ने एक समस्या पैदा कर दी है।

साइक्स की टीम ने एक उपन्यास एसएए, या एकल-परमाणु मिश्र धातु विकसित किया, जिसमें कोकिंग का मुकाबला करने के लिए तांबे के हर 100 परमाणुओं के लिए प्लैटिनम के केवल 1 परमाणु के साथ। प्लैटिनम परमाणु धातु की सतह परत में पृथक थे ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि वे अत्यधिक प्रतिक्रिया नहीं देंगे। प्रयोगों से पता चला है कि तांबा में एकल प्लैटिनम परमाणु अभी भी सी-एच बॉन्ड तोड़ने पर प्रतिक्रिया करते हैं, लेकिन इस सीमा तक नहीं कि कोक बनता है।

डार्बी ने फिर शुद्ध प्लैटिनम, शुद्ध तांबा, और एसएए का अनुकरण किया ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि कार्बन परमाणु तीन सतहों में से कौन सा सबसे दृढ़ता से बांधता है। उन्होंने इस प्रक्रिया को दो, दो, तीन, और चार हाइड्रोजन के साथ-साथ हाइड्रोजन परमाणुओं से बंधे कार्बन के साथ दोहराया। उन्होंने पाया कि इन अणुओं को प्लैटिनम की तुलना में उच्च संबंध के साथ तांबे से बांधना पड़ता है, और तांबे के लिए सी-एच बॉन्ड तोड़ने के लिए और अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। परिणाम यह समझाने के लिए महत्वपूर्ण हैं कि क्यों तांबा एक अप्रभावी उत्प्रेरक है।

डार्बी ने कहा, "प्लैटिनम तांबे की तुलना में लाखों गुना तेजी से सी-एच को तोड़ सकता है, और मिश्र धातु कहीं बीच में है।" "इस एसएए से पहले, लोगों को धातु को निष्क्रिय किए बिना कम तापमान पर दो या तीन मीथेन अणुओं को एक साथ जोड़ा नहीं जा सका। हमने दिखाया है कि हम तीन से ज्यादा प्राप्त कर सकते हैं।"

खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि पहले कभी ऐसा मिश्र धातु नहीं था जो सी-एच बॉन्ड को प्रभावी रूप से तोड़ सकता है और कोक प्रतिरोधी भी बना रहता है।

डार्बी ने कहा, "हमारा एसएए दर्शाता है कि इस समस्या का समाधान संभव हो सकता है।" "मुझे आशा है कि इससे रसायन विज्ञान समुदाय को और अधिक एसएए संयोजनों का प्रयास करने में मदद मिलेगी और देखें कि क्या हम वास्तव में मिश्र धातु को ढूंढ सकते हैं जो इसके लिए सही होगा।"

परमाणु आकार के कण

वियना एबी इनिटियो सिमुलेशन पैकेज (वीएएसपी) का उपयोग करके ओएलसीएफ संसाधनों पर सिमुलेशन किए गए थे, जो परमाणु पैमाने पर मॉडलिंग सामग्री के लिए डिज़ाइन किया गया एक कोड था। वीएएसपी अपनी तरह का सबसे लोकप्रिय है और ओएलसीएफ में उच्च प्रदर्शन समानांतर कंप्यूटरों पर उपयोग के लिए पूरी तरह से तैयार है।

डार्बी ने कहा, "हम परमाणु स्तर पर चीजों को मॉडल करते हैं।" "हमने 100 परमाणु आकार के कणों का मॉडल किया: उत्प्रेरक और मीथेन अणुओं। हमने तब गणना की कि मीथेन को किसी और चीज में बदलने के लिए कितनी ऊर्जा लेती है।"

इन गणनाओं को एक-दूसरे से तुलना करके, डार्बी प्रयोगात्मक निष्कर्षों को समझाने में सक्षम था। प्रयोग में सबकुछ पुन: उत्पन्न करके, टीम परमाणु स्तर पर देख सकती है और विशिष्ट बॉन्ड तोड़ने की संख्या को अनुकरण कर सकती है-कुछ ऐसा जो किसी प्रयोग में गिनना असंभव है।

टीम की आशा यह है कि एक दिन एक मिश्र धातु आठ मीथेन (यौगिक ऑक्टेटन) को जोड़ने में सक्षम होगा, जिसका उपयोग कारों को ईंधन देने के लिए किया जा सकता है। प्रोजेक्ट के परिणाम और स्टामाटाकिस समूह के चल रहे काम से प्रयोगात्मकवादियों को यादृच्छिक प्रणालियों का परीक्षण करने के बजाए मिश्र धातु की सबसे महत्वपूर्ण प्रणालियों पर ध्यान केंद्रित करने की अनुमति मिल जाएगी।

डार्बी ने कहा, "प्रयोग के साथ, यह ज्यादातर परीक्षण और त्रुटि है।" "सिमुलेशन हमें एक रोडमैप देते हैं।"

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