CO2 को नवीकरणीय propane ईंधन में कुशलतापूर्वक बदलने वाला अभिनव electrolyzer

 (scienceswitch.com)
2 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2023-08-23 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • CO2 को सीधे propane में बदलने वाला electrolyzer सस्ती और आसानी से उपलब्ध सामग्रियों से बनाया गया है, जो ग्रीनहाउस गैसों में कमी और नवीकरणीय रसायनों के उत्पादन की संभावना दिखाता है
  • सस्ती धातुओं और कार्बनिक यौगिकों पर आधारित विशिष्ट catalyst system से 3 carbon atom वाले propane का उत्पादन
  • अब तक बेहद कठिन मानी जाने वाली CO2 को multi-carbon molecules में बदलने की समस्या को प्रयोगों और computational modeling से हल करते हुए catalyst की reaction activity और selectivity की पहचान
  • continuous-flow डिज़ाइन के जरिए पारंपरिक batch पद्धति की सीमाओं से आगे बढ़कर बिना रुकावट के scalable propane production संभव
  • 2050 net-zero लक्ष्य के अनुरूप, और सरकारी एजेंसियों व वैश्विक propane कंपनियों के समर्थन से sustainable chemical manufacturing में प्रगति

electrolyzer का अवलोकन

  • Illinois Institute of Technology(IIT) के शोधकर्ताओं ने carbon dioxide को propane में कुशलतापूर्वक बदलने वाला electrolyzer विकसित किया
    • इसे सस्ती और आसानी से उपलब्ध सामग्रियों से बनाया गया
    • शोध परिणाम Nature Energy में प्रकाशित हुए
  • यह ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन में कमी और नवीकरणीय रसायनों के निर्माण के लिए महत्वपूर्ण संभावना प्रदान करता है
  • शोध का नेतृत्व करने वाले Mohammad Asadi: "नवीकरणीय रसायनों का निर्माण बेहद महत्वपूर्ण है, और यह आज रोज़मर्रा में इस्तेमाल होने वाले रसायनों को खोए बिना carbon cycle को बंद करने का सबसे अच्छा तरीका है"

मुख्य तकनीक — catalyst system

  • सस्ती धातुओं और कार्बनिक यौगिकों का उपयोग करने वाला विशिष्ट catalyst system इस नवाचार का केंद्र है
    • propane, 3 carbon atom से बना व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला ईंधन है
    • अब तक CO2 को propane जैसे जटिल multi-carbon molecules में बदलना बेहद कठिन चुनौती रही है
  • प्रयोगों और computational modeling को जोड़कर यह स्पष्ट किया गया कि catalyst कैसे उच्च reaction activity और propane के प्रति selectivity हासिल करता है
    • catalyst के performance और stability को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारकों की पहचान की गई

continuous-flow डिज़ाइन के फायदे

  • continuous-flow electrolyzer डिज़ाइन इस तकनीक की बड़ी ताकत है
    • इससे बिना रुकावट के scalable propane production संभव होता है
    • पारंपरिक batch CO2 conversion systems की सीमाओं को पार किया गया
  • प्रयोगशाला स्तर के prototype के माध्यम से वाणिज्यिक रूप से संभव sustainable energy solution विकसित करने की प्रतिबद्धता दिखाई गई

महत्व और सहयोग

  • यह 2050 net-zero greenhouse gas emissions हासिल करने के राष्ट्रीय प्रयासों के अनुरूप है
  • Advanced Research Projects Agency-Energy जैसी सरकारी एजेंसियों से सराहना और समर्थन मिला
  • वैश्विक propane कंपनी SHV Energy के साथ मिलकर तकनीक के optimization और विस्तार पर काम किया जा रहा है
    • SHV Energy के Keith Simons: "यह एक रोमांचक प्रगति है, जो इस आवश्यक ईंधन के वैश्विक उपयोगकर्ताओं के लिए उद्देश्य-उन्मुख propane production की नई e-fuel राह खोलती है"
  • औद्योगिक carbon emissions में कमी की क्षमता के साथ sustainable और नवीकरणीय chemical manufacturing की दिशा में यह एक महत्वपूर्ण प्रगति है

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2023-08-23
Hacker News टिप्पणियां

  • असली वैज्ञानिक बात यह हिस्सा है: “anion exchange ionomer से coated 1-ethyl-3-methylimidazolium-functionalized Mo3P nanoparticles catalyst system, electrolyzer में reversible hydrogen electrode के मुकाबले −0.8V पर, 100 घंटे तक −395 mA cm−2 की current density और 91% Faradaic efficiency के साथ CO2 से propane बनाता है”
    यह लगभग यकीन से परे अच्छा है, और commercial रूप से meaningful reaction rate, efficiency और time range दिखाता है
    patent तो उन्होंने पहले ही file कर दिया होगा, इसलिए 20 साल बाद जब patent expire होगा, तो recovered CO2 को process करने का standard तरीका यही बन सकता है

    • “20 साल बाद जब patent expire होगा” वाली धारणा तभी सही है जब patent holder उन 20 सालों में अपने investment returns को maximize न करे
      अगर technology सच में इतनी effective है और patent holder थोड़ा भी economically rational है, तो patent expire होने से काफी पहले recovered CO2 processing का standard बनाने की कोशिश करने वाला पक्ष शायद patent holder ही होगा
      patent system में सिर्फ फायदे ही नहीं हैं, लेकिन इस तस्वीर में इसे ignore करने के लिए यह बहुत बड़ा factor है
    • इस field में पहले से एक patent है: “Methods and devices using tri-transition metal phosphides for efficient electrocatalytic reactions” https://patents.google.com/patent/US20220154354A1/en
      abstract electrocatalytic energy conversion cell के electrodes में tri-transition metal phosphide catalyst introduce करके hydrogen gas बनाने के तरीकों और devices के बारे में है
      Google Patents इसे “M03P” लिखता है, लेकिन PDF abstract “MO3P” कहता है, और main text से साफ है कि यह “Mo3P” है
      भले यह patent ठीक वही technology न हो, supplementary figure 20 में ImF-Mo3P catalyst को “pristine Mo3P nanoparticles” से बेहतर दिखाया गया है और authors के पास कई related patents हैं, इसलिए इस technology का भी patent file किया गया होने की संभावना ज्यादा है
    • recovered CO2 की बात भी तभी है जब वह हवा से capture किया गया CO2 हो
      आज concentrated CO2 लगभग पूरी तरह fossil fuel consumption से आता है, और उसे propane में बदलकर ships या घरेलू boilers में जलाया जाए तो carbon को दो बार इस्तेमाल करने जैसा है, लेकिन आखिर में वह atmosphere में ही release होता है
      असली मुद्दा atmospheric carbon capture + catalytic propane production + propane combustion की overall efficiency है
      जिन processes में combustion heat जरूरी है, या जहां बिजली की तुलना में propane की portability बड़ा फायदा है, वहां calculation सही बैठ सकती है, और यह renewable energy के बीच power storage medium भी बन सकता है
      आखिरकार सब numbers पर निर्भर है
    • बाकी बचा मुद्दा catalyst durability है
    • क्या कोई इन numbers को आम लोगों के समझने लायक समझा सकता है?
      उदाहरण के लिए, अगर मेरी car 100kWh के बराबर LPG जलाती है, तो exhaust gas से कितने kWh propane recover किया जा सकता है और उसमें कितने kWh electricity डालनी पड़ेगी?

  • यह साफ नहीं है कि इस method को बस थोड़ा CO2 भी चलेगा, या O2 के बिना concentrated CO2 atmosphere चाहिए
    atmosphere से 0.4% CO2 निकालना महंगा है
    अगर मकसद blast furnace जैसी जगहों से निकलने वाला concentrated CO2 इस्तेमाल करना है, तो यह भी सवाल है कि इसे onsite तुरंत इस्तेमाल करना होगा, long-distance pipeline से भेजना होगा, या cylinders में भरना होगा
    यह भी जानना चाहूंगा कि क्या ऐसे use cases हैं जहां electricity से replace नहीं किया जा सकता और propane जलाना जरूरी है

    • यह उन लगभग सभी जगहों पर fit हो सकता है जहां आज hydrogen इस्तेमाल करने की planning है, और इसका फायदा यह भी होगा कि storage capacity ज्यादा है
      Europe में गर्मियों में gas खरीदकर winter heating के लिए इस्तेमाल करने के लिए विशाल natural gas storage facilities हैं
      renewable तरीके से ऐसे ही storage medium की जरूरत पड़ेगी, और अगर उन storages को green propane से भरा जा सके तो यह कमाल होगा
      मौजूदा heating infrastructure को बनाए रखा जा सकता है, और summer solar overproduction का शानदार उपयोग हो सकता है
      सच कहूं तो यह इतना अच्छा है कि यकीन करना मुश्किल है
    • हैं। उदाहरण के लिए ships
      ocean-going large ships को पूरी route battery पर चलाना लगभग असंभव है, लेकिन LPG, यानी व्यावहारिक रूप से propane/butane mixture से यह संभव है
      अगर बड़े hydrocarbons में जोड़ने के लिए अतिरिक्त chemistry या biotechnology develop हो जाए, तो इसे aviation synthetic fuel के precursor के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है
    • short term में “जरूरी” होना मुख्य बात नहीं है
      अभी propane इस्तेमाल करने वाली चीजें बहुत ज्यादा हैं, और उन सबको electricity पर retrofit करने से renewable propane भेजना कहीं आसान है
    • “जरूरी” है या नहीं, यह debate का विषय है, लेकिन यहां Netherlands में आम propane patio heaters अधिकतम 13,000W तक जाते हैं
      अगर इसे electric बनाया जाए तो 13k/220 = 60A connection चाहिए होगा, जो यहां घरेलू wiring standard का 3 गुना है
    • atmosphere में CO2 concentration 0.4% नहीं, बल्कि 0.04% है
      और यह बात सही है कि इस process के source के रूप में यह बहुत कम है

  • 2019 में Stanford ने जो इसी तरह announce किया था, उसका क्या हुआ? https://news.stanford.edu/2019/10/17/new-catalyst-helps-turn-carbon-dioxide-fuel/

    • https://en.m.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_elements_in_Earth%27s_crust
      ruthenium और iridium stable catalysts के रूप में जाने जाते हैं, लेकिन वे सबसे rare elements में आते हैं
      Stanford वाली structure में Ru इस्तेमाल हुआ था, और यह paper सिर्फ abundant materials propose करता हुआ दिखता है
      अगर इसे scale पर इस्तेमाल किया जा सके और stability भी साबित हो जाए, तो यह important progress है

  • जिज्ञासा है कि वही membrane/catalyst उलटी प्रक्रिया में भी इस्तेमाल हो सकता है या नहीं
    यानी propane को वातावरण की oxygen से oxidize करके पानी और CO2 बाहर निकालना, और heat के बजाय सीधे बिजली बनाते हुए नुकसान को काफी कम करना
    अगर संभव हो, तो energy storage के लिए इसका बड़ा महत्व हो सकता है
    propane की energy density 49.6 MJ/kg है, जबकि lithium-ion battery लगभग 0.8 MJ/kg होती है, यानी 50 गुना से भी ज्यादा अंतर है

    • propane fuel cell कुछ समय से मौजूद हैं: https://www.wattfuelcell.com/portable-power/watt-imperium/
    • अगर यह संभव हो, तो अमेरिका के southwest के हिसाब से off-grid जीवन लगभग आसान हो जाएगा
      solar panels से बिजली बनाएं, इस system से propane या बिजली बनाएं, और बादल वाले दिनों या कई हफ्तों के लिए commercially available बड़े propane tanks रख लें

  • electrolyzer reactions आम तौर पर reversible होती हैं
    अगर वे उलटी दिशा में, यानी पानी+propane → CO2+hydrogen+बिजली, दावा की गई 91% efficiency से कर सकते हैं, तो आम तौर पर maximum efficiency लगभग 60% वाली gas turbine generators को पूरी तरह replace किया जा सकता है

    • gas turbine, fuel cell की तुलना में कहीं बेहतर scale होती है, output density अधिक होती है, durability अच्छी होती है, और यह एक proven technology है जिसे अत्यधिक rare materials के बिना बनाया जा सकता है
      अगर intermittent renewable energy production को propane में बदलकर store करने की समस्या हल की जा सके, तो समझिए जीत पहले ही हो गई
    • उलटा electrolyzer हो तो उसे fuel cell नहीं कहा जाता?
      सामान्य efficiency कितनी होती होगी?
    • chemical reaction equation ऐसी नहीं होनी चाहिए क्या: 4 H2O + 3 CO2 <=> C3H8 + 5 O2

  • असली paper: https://www.nature.com/articles/s41560-023-01314-8

  • इस क्षेत्र की local media शायद इसे काफी बड़ा मुद्दा बनाएगी
    आसपास की passenger cars में 13% से ज्यादा dual-fuel vehicles हैं जो gasoline और LPG, असल में ज्यादातर propane, दोनों इस्तेमाल करती हैं, और hybrids में भी LPG डाला जाता है
    फिर भी मजेदार बात यह है कि ऐसी cars को underground parking में प्रवेश की अनुमति देने वाली जगहें अब भी कम हैं
    बिजली दरें देखें तो इसके fossil fuels से सस्ता होने की संभावना नहीं है, इसलिए cars में इसका तेजी से adoption शायद नहीं होगा

  • संदर्भ के लिए, CO2 → methane conversion करने वाला Terraform Industries नाम का startup है
    https://terraformindustries.com/
    co-founder से इस मामले पर उनकी राय पूछी थी
    https://twitter.com/ccorcos/status/1694021803654693342

  • कहा गया है कि यह “anion exchange ionomer से coated 1-ethyl-3-methylimidazolium-functionalized Mo3P nanoparticles” है; इन materials का large-scale production कितना मुश्किल और महंगा होगा?
    molybdenum platinum जितना rare या महंगा नहीं है, तो यह निश्चित रूप से एक फायदा है

    • 1-ethyl-3-methylimidazolium काफी simple molecule है और industry में पहले से इस्तेमाल हो रहा है