కొత్త ఎలక్ట్రోడ్ డిజైన్ కార్బన్ డయాక్సైడ్‌ను ఇథిలీన్ మరియు ఇతర ఉత్పత్తులుగా మార్చే ఎలక్ట్రోకెమికల్ ప్రతిచర్యల సామర్థ్యాన్ని పెంచుతుంది.
గ్రీన్‌హౌస్ వాయు ఉద్గారాలను తగ్గించడానికి ప్రపంచం పోరాడుతున్నందున, పరిశోధకులు కార్బన్ డయాక్సైడ్‌ను సంగ్రహించడానికి మరియు రవాణా ఇంధనాలు, రసాయన ఫీడ్‌స్టాక్‌లు లేదా నిర్మాణ సామగ్రి వంటి ఉపయోగకరమైన ఉత్పత్తులుగా మార్చడానికి ఆచరణాత్మక, ఆర్థిక మార్గాలను అన్వేషిస్తున్నారు. కానీ ఇప్పటివరకు, ఇటువంటి ప్రయత్నాలు ఆర్థిక సాధ్యతను చేరుకోవడానికి చాలా కష్టపడ్డాయి.
MITలోని ఇంజనీర్ల కొత్త పరిశోధన కార్బన్ డయాక్సైడ్‌ను విలువైన వస్తువుగా మార్చడానికి అభివృద్ధిలో ఉన్న వివిధ ఎలక్ట్రోకెమికల్ సిస్టమ్‌లలో వేగవంతమైన మెరుగుదలలకు దారితీయవచ్చు. ఈ వ్యవస్థలలో ఉపయోగించే ఎలక్ట్రోడ్‌ల కోసం బృందం కొత్త డిజైన్‌ను అభివృద్ధి చేసింది, ఇది మార్పిడి ప్రక్రియ యొక్క సామర్థ్యాన్ని పెంచుతుంది.
కనుగొన్న విషయాలు ఈ రోజు జర్నల్‌లో నివేదించబడ్డాయి నేచర్ కమ్యూనికేషన్స్MIT డాక్టోరల్ అభ్యర్థి సైమన్ రూఫర్, మెకానికల్ ఇంజనీరింగ్ ప్రొఫెసర్ కృపా వారణాసి మరియు మరో ముగ్గురు రాసిన పేపర్‌లో.
“CO2 సమస్య మన కాలానికి పెద్ద సవాలు, మరియు ఈ సమస్యను పరిష్కరించడానికి మరియు పరిష్కరించడానికి మేము అన్ని రకాల మీటలను ఉపయోగిస్తున్నాము” అని వారణాసి చెప్పారు. పవర్ ప్లాంట్ ఉద్గారాల వంటి మూలాల నుండి లేదా నేరుగా గాలి లేదా మహాసముద్రాల నుండి వాయువును తొలగించే ఆచరణాత్మక మార్గాలను కనుగొనడం చాలా అవసరం అని ఆయన చెప్పారు. అయితే, CO2 తొలగించబడిన తర్వాత, అది ఎక్కడికో వెళ్లాలి.
ఆ సంగ్రహించిన వాయువును ఉపయోగకరమైన రసాయన ఉత్పత్తిగా మార్చడానికి అనేక రకాల వ్యవస్థలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి, వారణాసి చెప్పారు. “ఇది మనం చేయలేమని కాదు – మేము దీన్ని చేయగలము. కానీ ప్రశ్న ఏమిటంటే మనం దీన్ని ఎలా సమర్థవంతంగా చేయగలం’ మనం దీన్ని ఎలా ఖర్చుతో కూడుకున్నది చేయగలము”” కొత్త అధ్యయనంలో, బృందం ఎలెక్ట్రోకెమికల్ మార్పిడిపై దృష్టి సారించింది. CO2 నుండి ఇథిలీన్ వరకు, విస్తృతంగా ఉపయోగించే రసాయనం, దీనిని వివిధ రకాల ప్లాస్టిక్‌లు మరియు ఇంధనాలుగా తయారు చేయవచ్చు మరియు ఇది నేడు పెట్రోలియం నుండి తయారు చేయబడుతుంది. కానీ వారు అభివృద్ధి చేసిన విధానం మీథేన్, మిథనాల్, కార్బన్ మోనాక్సైడ్ మరియు ఇతరులతో సహా ఇతర అధిక-విలువైన రసాయన ఉత్పత్తులను ఉత్పత్తి చేయడానికి కూడా వర్తించవచ్చని పరిశోధకులు అంటున్నారు.
ప్రస్తుతం, ఇథిలీన్ టన్నుకు దాదాపు $1,000కి విక్రయిస్తోంది, కాబట్టి ఆ ధరను చేరుకోవడం లేదా అధిగమించడం లక్ష్యం. CO2ను ఇథిలీన్‌గా మార్చే ఎలెక్ట్రోకెమికల్ ప్రక్రియలో నీటి ఆధారిత ద్రావణం మరియు ఉత్ప్రేరకం పదార్థం ఉంటుంది, ఇది గ్యాస్ డిఫ్యూజన్ ఎలక్ట్రోడ్ అని పిలువబడే పరికరంలో విద్యుత్ ప్రవాహంతో కలిసి వస్తుంది.
వాటి పనితీరును ప్రభావితం చేసే గ్యాస్ డిఫ్యూజన్ ఎలక్ట్రోడ్ మెటీరియల్స్ యొక్క రెండు పోటీ లక్షణాలు ఉన్నాయి: అవి మంచి ఎలక్ట్రికల్ కండక్టర్‌లుగా ఉండాలి, తద్వారా ప్రక్రియను నడిపించే కరెంట్ రెసిస్టెన్స్ హీటింగ్ ద్వారా వృధా కాకుండా ఉండాలి, కానీ అవి “హైడ్రోఫోబిక్” లేదా నీరు కూడా అయి ఉండాలి. తిప్పికొడుతుంది, కాబట్టి నీటి ఆధారిత ఎలక్ట్రోలైట్ ద్రావణం లీక్ అవ్వదు మరియు ఎలక్ట్రోడ్ ఉపరితలం వద్ద జరిగే ప్రతిచర్యలకు అంతరాయం కలిగించదు.
దురదృష్టవశాత్తు, ఇది ఒక మార్పిడి. వాహకతను మెరుగుపరచడం హైడ్రోఫోబిసిటీని తగ్గిస్తుంది మరియు దీనికి విరుద్ధంగా. వారణాసి మరియు అతని బృందం వారు ఆ సంఘర్షణను అధిగమించగలరో లేదో చూడడానికి బయలుదేరారు మరియు చాలా నెలలు ప్రయత్నించిన తర్వాత, వారు ఆ పని చేసారు.
రూఫర్ మరియు వారణాసి రూపొందించిన పరిష్కారం, దాని సరళతలో సొగసైనది. వారు మంచి హైడ్రోఫోబిక్ లక్షణాలను కలిగి ఉన్న PTFE (ముఖ్యంగా టెఫ్లాన్) అనే ప్లాస్టిక్ పదార్థాన్ని ఉపయోగించారు. అయినప్పటికీ, PTFE యొక్క వాహకత లేకపోవడం అంటే ఎలక్ట్రాన్లు చాలా సన్నని ఉత్ప్రేరకం పొర ద్వారా ప్రయాణించాలి, ఇది దూరంతో గణనీయమైన వోల్టేజ్ తగ్గుదలకు దారితీస్తుంది. ఈ పరిమితిని అధిగమించడానికి, పరిశోధకులు PTFE యొక్క చాలా సన్నని షీట్ ద్వారా వాహక రాగి తీగలను నేయారు.
“ఈ పని నిజంగా ఈ సవాలును పరిష్కరించింది, ఎందుకంటే మనం ఇప్పుడు వాహకత మరియు హైడ్రోఫోబిసిటీ రెండింటినీ పొందవచ్చు” అని వారణాసి చెప్పారు.
సంభావ్య కార్బన్ మార్పిడి వ్యవస్థలపై పరిశోధన చాలా చిన్న, ల్యాబ్-స్కేల్ నమూనాలపై జరుగుతుంది, సాధారణంగా 1-అంగుళాల (2.5-సెంటీమీటర్) చతురస్రాల కంటే తక్కువ. స్కేలింగ్ కోసం సంభావ్యతను ప్రదర్శించడానికి, వారణాసి బృందం 10 రెట్లు పెద్ద విస్తీర్ణంలో షీట్‌ను తయారు చేసింది మరియు దాని ప్రభావవంతమైన పనితీరును ప్రదర్శించింది.
ఆ స్థితికి చేరుకోవడానికి, వారు ఇంతకు ముందెన్నడూ చేయని కొన్ని ప్రాథమిక పరీక్షలను చేయాల్సి వచ్చింది, ఒకే విధమైన పరిస్థితులలో పరీక్షలను అమలు చేయడం కానీ వాహకత మరియు ఎలక్ట్రోడ్ పరిమాణం మధ్య సంబంధాన్ని విశ్లేషించడానికి వివిధ పరిమాణాల ఎలక్ట్రోడ్‌లను ఉపయోగించడం. పరిమాణంతో వాహకత నాటకీయంగా తగ్గిపోయిందని వారు కనుగొన్నారు, దీని అర్థం చాలా ఎక్కువ శక్తిని కలిగి ఉంటుంది మరియు అందువల్ల ప్రతిచర్యను నడపడానికి ఖర్చు అవుతుంది.
“మేము ఆశించేది అదే, కానీ ఇంతకు ముందు ఎవరూ నిజంగా అంకితభావంతో పరిశోధించని విషయం” అని రూఫర్ చెప్పారు. అదనంగా, పెద్ద పరిమాణాలు ఉద్దేశించిన ఇథిలీన్‌తో పాటు మరిన్ని అవాంఛిత రసాయన ఉపఉత్పత్తులను ఉత్పత్తి చేస్తాయి.
రియల్-వరల్డ్ ఇండస్ట్రియల్ అప్లికేషన్‌లకు ల్యాబ్ వెర్షన్‌ల కంటే 100 రెట్లు పెద్ద ఎలక్ట్రోడ్లు అవసరమవుతాయి, కాబట్టి అటువంటి వ్యవస్థలను ఆచరణాత్మకంగా చేయడానికి వాహక వైర్‌లను జోడించడం అవసరం అని పరిశోధకులు అంటున్నారు. ఓహ్మిక్ నష్టాల కారణంగా ఎలక్ట్రోడ్‌లపై వోల్టేజ్ మరియు ఉత్పత్తి పంపిణీలో ప్రాదేశిక వైవిధ్యాన్ని సంగ్రహించే నమూనాను కూడా వారు అభివృద్ధి చేశారు. వారు సేకరించిన ప్రయోగాత్మక డేటాతో పాటు మోడల్ వాహకత తగ్గడాన్ని ఎదుర్కోవడానికి వాహక వైర్ల కోసం సరైన అంతరాన్ని లెక్కించడానికి వారిని ఎనేబుల్ చేసింది.
ప్రభావంలో, పదార్థం ద్వారా వైర్ నేయడం ద్వారా, పదార్థం వైర్ల అంతరం ద్వారా నిర్ణయించబడిన చిన్న ఉపవిభాగాలుగా విభజించబడింది. “మేము దానిని చిన్న ఉపవిభాగాల సమూహంగా విభజించాము, వీటిలో ప్రతి ఒక్కటి ప్రభావవంతంగా చిన్న ఎలక్ట్రోడ్” అని రూఫర్ చెప్పారు. “మరియు మనం చూసినట్లుగా, చిన్న ఎలక్ట్రోడ్లు బాగా పని చేయగలవు.”
రాగి తీగ PTFE మెటీరియల్ కంటే చాలా ఎక్కువ వాహకత కలిగి ఉన్నందున, ఇది ఎలక్ట్రాన్‌ల గుండా వెళ్లడానికి ఒక రకమైన సూపర్‌హైవే వలె పనిచేస్తుంది, అవి ఉపరితలానికి పరిమితమై ఉన్న ప్రాంతాలను వంతెన చేస్తుంది మరియు ఎక్కువ నిరోధకతను ఎదుర్కొంటుంది.
వారి సిస్టమ్ పటిష్టంగా ఉందని నిరూపించడానికి, పరిశోధకులు 75 గంటలపాటు నిరంతరాయంగా పరీక్షా ఎలక్ట్రోడ్‌ను అమలు చేశారు, పనితీరులో స్వల్ప మార్పు. మొత్తంమీద, రూఫర్ చెప్పారు, వారి సిస్టమ్ “మొదటి PTFE-ఆధారిత ఎలక్ట్రోడ్, ఇది ల్యాబ్ స్కేల్‌ను 5 సెంటీమీటర్లు లేదా అంతకంటే తక్కువ క్రమంలో దాటి పోయింది. ఇది చాలా పెద్ద స్థాయిలో పురోగమించి, సామర్థ్యాన్ని త్యాగం చేయకుండా చేసిన మొదటి పని. .”
వైర్‌ను చేర్చడం కోసం నేత ప్రక్రియను పెద్ద ఎత్తున రోల్-టు-రోల్ ప్రక్రియలో కూడా ఇప్పటికే ఉన్న తయారీ ప్రక్రియల్లో సులభంగా విలీనం చేయవచ్చు, అతను జతచేస్తాడు.
“మా విధానం చాలా శక్తివంతమైనది ఎందుకంటే దీనికి అసలు ఉత్ప్రేరకం ఉపయోగించబడదు,” అని రూఫర్ చెప్పారు. “మీరు ఈ మైక్రోమెట్రిక్ రాగి తీగను మీకు కావలసిన ఏదైనా గ్యాస్ డిఫ్యూజన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లో కుట్టవచ్చు, ఉత్ప్రేరకం పదనిర్మాణం లేదా రసాయన శాస్త్రం నుండి స్వతంత్రంగా ఉంటుంది. కాబట్టి, ఈ విధానం ఎవరి ఎలక్ట్రోడ్‌ను స్కేల్ చేయడానికి ఉపయోగించవచ్చు.”
“CO2 సవాలును ఎదుర్కోవడానికి మేము ఏటా CO2 యొక్క గిగాటన్‌లను ప్రాసెస్ చేయవలసి ఉంటుంది కాబట్టి, స్కేల్ చేయగల పరిష్కారాల గురించి మనం నిజంగా ఆలోచించాలి” అని వారణాసి చెప్పారు. “ఈ ఆలోచనతో ప్రారంభించడం వలన క్లిష్టమైన అడ్డంకులను గుర్తించడం మరియు సమస్యను పరిష్కరించడంలో అర్ధవంతమైన ప్రభావాన్ని చూపే వినూత్న విధానాలను అభివృద్ధి చేయడం మాకు సహాయపడుతుంది. మా క్రమానుగతంగా వాహక ఎలక్ట్రోడ్ అటువంటి ఆలోచన ఫలితంగా ఉంది.”
పరిశోధనా బృందంలో MIT గ్రాడ్యుయేట్ విద్యార్థులు మైఖేల్ నిట్జే మరియు సంజయ్ గరిమెల్లా, అలాగే జాక్ లేక్ PhD ’23 ఉన్నారు.
