रसायन विज्ञान में तेजी लाने के लिए बिजली का उपयोग

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रसायन विज्ञान में तेजी लाने के लिए बिजली का उपयोग

यूडी शोधकर्ताओं ने लौह आधारित धातु कार्बनिक ढांचे (एमओएफ) सामग्री बनाने के लिए एक नई विधि विकसित की है। चित्र: स्नातक छात्र अमांडा वीवर (बाएं) यूडी-विकसित विद्युत रासायनिक प्रक्रिया को गति में सेट करता है, जबकि रसायन विज्ञान के प्रोफेसर एरिक बलोच (केंद्र) और जोएल रोसेंथल (दाएं) निरीक्षण करते हैं। श्रेय: कैथी एफ. एटकिंसन

मेटल ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (एमओएफ) सामग्री का एक आशाजनक वर्ग है जिसमें उत्प्रेरक, सेंसर और गैस भंडारण के रूप में कई अनुप्रयोग हैं। पिछले दो दशकों में व्यापक रूप से अध्ययन किया गया, एमओएफ आमतौर पर रासायनिक प्रक्रियाओं का उपयोग करके उत्पादित किया जाता है जिसके लिए उच्च गर्मी और उच्च दबाव की आवश्यकता होती है।


अब, डेलावेयर विश्वविद्यालय के रसायनज्ञ जोएल रोसेन्थल और एरिक बलोच ने रिपोर्ट किया है कि कमरे के तापमान पर सीधे अक्षय बिजली का उपयोग करके लौह आधारित एमओएफ सामग्री का उत्पादन करना संभव है।

यूडी-विकसित विधि एमओएफ सामग्री को तेज, अधिक विश्वसनीय और सस्ता बनाने के लिए बिजली का उपयोग करने में 96% कुशल है। यूडी शोधकर्ताओं ने 1 प्रकाशित में प्रकाशित एक नए पेपर में अग्रिम की सूचना दी एसीएस केंद्रीय विज्ञान.

यूडी कॉलेज ऑफ आर्ट्स एंड साइंसेज में रसायन विज्ञान और जैव रसायन के प्रोफेसर रोसेन्थल के अनुसार, एमओएफ के बारे में सोचने का एक आसान तरीका खिलौना लकड़ी के पहियों से बने धातु के अणुओं के एक सेट के साथ एक टिंकर खिलौने की कल्पना करना है और छोटे कार्बनिक से जुड़ी स्पिंडली स्टिक है। अणु। एक साथ सेट करें।

बीच में रासायनिक भंडारण और विभाजन के लिए भारी क्षमता वाली रिक्तियां हैं। उदाहरण के लिए, गले में मटर के आकार के एमओएफ सामग्री का आंतरिक सतह क्षेत्र दो फुटबॉल मैदानों के आकार के बारे में है जिसका उपयोग मीथेन या हाइड्रोजन, पृथक गैसों और उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं जैसे गैसों को स्टोर करने के लिए किया जा सकता है। इन्हें सेंसर के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है।

इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री विशेषज्ञ रोसेन्थल ने कहा, “हमारे द्वारा उत्पादित सामग्री की गुणवत्ता उतनी ही अच्छी है जितनी आप सर्वोत्तम थर्मल विधियों से उम्मीद करेंगे, लेकिन अधिक मापने योग्य और टिकाऊ।” “हमारी खोज कई अलग-अलग अनुप्रयोगों के लिए एमओएफ को अधिक व्यावहारिक विकल्प बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम है।”

इलेक्ट्रिसिटी ड्राइव केमिस्ट्री

शैक्षिक प्रयोगशालाओं के लिए एमओएफ को सीमित करने वाली एक चुनौती यह है कि उन्हें बड़े पैमाने पर बनाना मुश्किल है और विशेष रूप से पर्यावरण के अनुकूल नहीं हैं। इसलिए, रोसेन्थल के पास एमओएफ के संश्लेषण को ट्रिगर करने के लिए बिजली का उपयोग शुरू करने का विचार था। बिजली का उपयोग करके सिंथेटिक प्रक्रिया में प्रवेश करने वाली ऊर्जा की मात्रा को आसानी से कमरे के तापमान में समायोजित किया जा सकता है, जिससे यह आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले तापमान, उच्च तापमान, उच्च दबाव और कभी-कभी जहरीले अभिकर्मकों के बिना एमओएफ बनाने का एक सुरक्षित तरीका बन जाता है।

डेलावेयर मेमोरियल ब्रिज से आगे बढ़ें और डेलावेयर और न्यू जर्सी के दोनों किनारों पर आप रसायन शास्त्र के पौधों को हर छोटे क्षेत्र या स्टेडियम के आकार में देखेंगे। इन संयंत्रों में कुछ रिएक्टर होते हैं जो समाज के लिए उपयोगी रसायनों का उत्पादन करने के लिए विभिन्न प्रकार की रासायनिक प्रतिक्रियाएं करते हैं।

“कई थर्मल रासायनिक प्रक्रियाओं को वाणिज्यिक या कमोडिटी पैमाने पर प्रभावी ढंग से करने के लिए आमतौर पर इन बड़े पैरों के निशान और बहुत महंगे बुनियादी ढांचे की आवश्यकता होती है, लेकिन इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री इन नियमों को तोड़ने का एक तरीका प्रदान करती है,” रोसेन्थल ने कहा। “इलेक्ट्रोकेमिकल विधि को प्रभावी ढंग से बढ़ाने के लिए आपको एक विशाल इलेक्ट्रोकेमिकल प्लांट बनाने की ज़रूरत नहीं है। इलेक्ट्रोलिसिस अक्सर शैक्षिक प्रयोगशाला से वाणिज्यिक बाजार में अनुवाद के मामले में अधिक बहुमुखी है।”

केमिस्ट्री उतनी आसान नहीं है, जितना कि लिविंग रूम में बैठे बच्चे को पहिए और डंडे से जोड़ना। एमओएफ संश्लेषण में अब तक की प्रगति सिंथेटिक और कार्बनिक पदार्थों के संयोजन द्वारा सीमित है जिन्हें धातुओं और थर्मल दृष्टिकोणों के यौगिकों का उपयोग करके संश्लेषित किया जा सकता है।

कागज विशेष रूप से लोहे के अणुओं के समूहों का उपयोग करके एमओएफ सामग्री की तैयारी पर केंद्रित है। रोसेन्थल और बलोच आयरन एमओएफ बनाने वाले पहले व्यक्ति नहीं हैं। परंपरागत रूप से, रोसेन्थल ने समझाया, शोधकर्ताओं ने लौह (3+) नमक, एक कार्बनिक अणु, और एक अपेक्षाकृत महंगा विलायक लेकर यह सामग्री बनाई है जो कुछ प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत विघटित होती है और इसे कम से कम एक दिन के लिए उच्च दबाव में एक सीलबंद कंटेनर में गर्म करती है। , कभी-कभी कई दिन, फिर खोलकर देखते हैं कि उन्हें क्या मिलता है।

इसके विपरीत, वह और बलोच सॉल्वैंट्स, कार्बनिक अणुओं और लोहे (2+) आयनों वाले समाधान के साथ शुरू करते हैं, अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ जो लोहे के व्यवहार को बदलते हैं। शोधकर्ता एक समाधान के माध्यम से बिजली पारित करने के लिए कार्बन या एक प्रकार के कांच से बने इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हैं और धातु के कणों के आवेश को लोहे (2+) से लोहे (3+) में परिवर्तित करते हैं। यह एक स्विच की तरह है, जो लोहे को अधिक चार्ज करता है ताकि यह बिना साइड इफेक्ट या पारंपरिक थर्मल केमिस्ट्री विधियों के विशिष्ट प्रभावों के बिना सीधे और कुशलता से एमओएफ का उत्पादन कर सके।

“जैसा कि इलेक्ट्रोड लोहे से इलेक्ट्रॉनों को ले रहा है, यह लोहे में जाता है और कार्बनिक लिंकर ढूंढता है और कुछ एमओएफ बनाता है। यह लगभग 100% कुशल है, हम हर इलेक्ट्रॉन को एमओएफ संश्लेषण में ले जाते हैं। कोई साइड इफेक्ट या अवांछित उत्पाद नहीं हैं। “” बलोच, रसायन विज्ञान और जैव रसायन के एक सहायक प्रोफेसर जो धातु कार्बनिक ढांचे और चिपकने वाली सामग्री में माहिर हैं।

इसके अलावा, यदि सही प्रकार के इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है, तो एमओएफ उत्पाद को बनाने और इकट्ठा करने से कहीं अधिक करना संभव है। शोध दल सामग्री को सीधे विद्युत प्रवाहकीय सब्सट्रेट पर विकसित कर सकता है, एक लाभ जो एमओएफ विभिन्न उपकरणों और पैटर्न वाले समर्थनों में उपयोग कर सकता है, उन्नत एमओएफ सेंसर पहुंच के भीतर लाता है।

रोसेन्थल ने समझाया कि एमओएफ को एक सेंसर में बनाने के लिए आपको एक रीडआउट प्राप्त करने के लिए इसे विद्युत प्रवाहकीय समर्थन से जोड़ने का एक तरीका चाहिए। उन्होंने कहा कि अनुसंधान समुदाय ने अब तक यह पता लगाया है कि बेहतर कैसे किया जाए। यूडी टीम के इलेक्ट्रोड समर्थन पर विद्युत रासायनिक रूप से संश्लेषित और एमओएफ को बढ़ाकर सामग्री के बीच बेहतर संचार के लिए एमओएफ को कड़ी मेहनत करने का एक तरीका प्रदान करता है।

एक तरह से इस तकनीक का उपयोग लघु सेंसर में किया जा सकता है, शायद सेल फोन में हवा की गुणवत्ता को मापने के लिए या हवाई अड्डे पर सुरक्षा उपायों के हिस्से के रूप में हवा में कणों का चयन करने के लिए।

बलोच ने कहा, “गैसों और अणुओं को अब संवेदी तरीके से सीधे स्थानांतरित किया जा सकता है, जिस तरह से आपका धूम्रपान डिटेक्टर अपनी प्रतिक्रियाशीलता के आधार पर अन्य प्रकार की गैस का पता लगाने के लिए काम करता है।”

इलेक्ट्रोसिंथेटिक प्रतिक्रिया भी तेजी से होती है, जिससे एमओएफ पाउडर मिनटों में घोल में बन जाता है। और जबकि सामग्री जो बहुत लंबे समय तक समाधान में रहती है, अक्सर समय के साथ खराब हो जाती है या साइड इफेक्ट के कारण पूरी तरह से अलग सामग्री बन जाती है, इलेक्ट्रोसिंथेसिस द्वारा बनाई गई एमओएफ सामग्री स्थिर होती है और शीशी के नीचे ही बस जाती है। चूंकि इलेक्ट्रोसिंथेटिक प्रक्रिया कमरे के तापमान पर की जाती है, सामग्री का अपघटन चिंता का बहुत कम है।

इलेक्ट्रोलिसिस जितना अधिक समय तक चलता है, एमओएफ सामग्री की मात्रा उतनी ही अधिक होती है जिसे उत्पाद के रूप में निकाला जा सकता है। शोधकर्ताओं ने कहा कि विधि की सादगी इसे अकादमिक प्रयोगशाला बेंच से वाणिज्यिक बाजार में अनुवाद करने के मामले में बहुमुखी बनाती है।

कागज पर सह-लेखक अन्ना वीवर, एक स्नातक छात्र, इस गर्मी में यूडी पहुंचे लेकिन रोसेन्थल ने कहा कि उन्होंने टीम की कार्यप्रणाली की प्रभावशीलता का प्रदर्शन करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। वीवर ने देर से चरण के प्रयोग किए जो पेपर के लिए अतिरिक्त डेटा प्रदान करते थे।

उन्होंने कहा, “अन्ना की इतनी जल्दी योगदान करने की क्षमता उनकी प्रतिभा और इस रसायन को आसानी से बयां करती है। इस काम को करने के लिए उन्हें काली कला सीखने की जरूरत नहीं है।”

विद्युत रूप से संचालित रसायन विज्ञान उन अनुमानित सामग्रियों की खोज के लिए द्वार खोलता है जिनमें एमओएफ के लिए उत्कृष्ट गुण होते हैं, जैसे कि कोबाल्ट पर आधारित, लेकिन अज्ञात रहते हैं क्योंकि यह पारंपरिक रसायनज्ञों के साथ असंगत है जो गति में प्रतिक्रिया निर्धारित करने के लिए गर्मी पर भरोसा करते हैं।

“उत्प्रेरक के रूप में, हम जानते हैं कि कुछ धातुएं एमओएफ के रूप में असाधारण होंगी, लेकिन सामान्य विधियां काम नहीं करती हैं। हमें लगता है कि यह नए एमओएफ बनाने का एक तरीका है जो हम सक्षम होने की तुलना में पूरी तरह से अलग गुणों के साथ अधिक स्थिर और अत्यधिक प्रतिक्रियाशील हैं। एक्सेस करने के लिए… इससे पहले, “ब्लोच ने कहा।

कागज पर अन्य सह-लेखकों में रोसेन्थल्स और बलोच लैब्स के वर्तमान या पूर्व यूडी स्नातक छात्र शामिल हैं, जिनमें वेनबो वू, गेराल्ड ई। डेकर और अमांडा अर्नोफ।


धातु कार्बनिक ढांचे की धात्विक महारत


और जानकारी:
वेनबो वू एट अल, आसान और तेज कमरे के तापमान इलेक्ट्रोसिंथेसिस और Fe-MIL-101 और Fe-MIL-101-NH2 की नियंत्रित सतह वृद्धि, एसीएस केंद्रीय विज्ञान (२०२१)। डीओआई: 10.1021 / उच्चारण.1c00686

डेलावेयर विश्वविद्यालय द्वारा प्रदान किया गया

गुणों का वर्ण – पत्र: रसायन विज्ञान में तेजी लाने के लिए बिजली का उपयोग (2021, 8 सितंबर) 13 सितंबर, 2021 को https://phys.org/news/2021-09-electricity-chemistry-boost.html से लिया गया।

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