Local B-site chemistry controls oxygen-vacancy energetics in Ca-Ce-Ti-Mn perovskites for thermochemical hydrogen production

सूर्य की कल्पना एक विशाल, मुफ्त बैटरी के रूप में करें जो न केवल हमें प्रकाश देती है, बल्कि तीव्र ऊष्मा भी प्रदान करती है। वैज्ञानिक उस अत्यधिक गर्म सूर्य के प्रकाश का उपयोग पानी के अणुओं को अलग करने के लिए करने की कोशिश कर रहे हैं, ताकि उन्हें हाइड्रोजन ईंधन में बदला जा सके। पानी को हाइड्रोजन से भरे एक बंद बक्से के रूप में समझें; हाइड्रोजन को बाहर निकालने के लिए, आपको एक चाबी की आवश्यकता होती है। इस उच्च-तकनीकी खेल में, वह "चाबी" पेरोव्स्काइट (perovskite) नामक एक विशेष प्रकार का पत्थर है। ये पत्थर स्पंज की तरह काम करते हैं जो ऑक्सीजन को अंदर और बाहर ले सकते हैं। जब आप उन्हें केंद्रित सूर्य के प्रकाश से गर्म करते हैं, तो वे कुछ ऑक्सीजन छोड़ देते हैं (बक्से को खोल देते हैं)। फिर, जब आप भाप पेश करते हैं, तो वे ऑक्सीजन को वापस पकड़ लेते हैं, जिससे शुद्ध हाइड्रोजन गैस पीछे रह जाती है। समस्या यह है कि वर्तमान चैंपियन पत्थर, सेरिया (ceria) नामक एक पदार्थ, को अच्छी तरह से काम करने के लिए 1,600°C के भीषण तापमान तक गर्म करने की आवश्यकता होती है। यह एक ब्लास्ट फर्नेस से भी अधिक गर्म है, जिससे इसे रखने के लिए आवश्यक मशीनें बनाना अविश्वसनीय रूप से महंगा और कठिन हो जाता है। वैज्ञानिक एक नए "सुपर-रॉक" की खोज में हैं जो बहुत कम तापमान पर वही काम कर सके, जिससे पैसा और ऊर्जा दोनों बच सकें।

शोधकर्ताओं ने कैल्शियम, सीरियम, टाइटेनियम और मैंगनीज (CCTM नाम दिया गया) से बने पत्थरों के एक परिवार की जांच करने का निर्णय लिया। वे ठीक से समझना चाहते थे कि क्यों कुछ संस्करणों वाला पत्थर ऑक्सीजन को आसानी से छोड़ देता है जबकि अन्य उसे कसकर पकड़े रहता है। इस रहस्य को सुलझाने के लिए, उन्होंने केवल पत्थर को एक संपूर्ण इकाई के रूप में नहीं देखा; बल्कि वे सूक्ष्म स्तर पर ज़ूम इन हुए, जहाँ उन्होंने हर एक ऑक्सीजन परमाणु के आसपास के परमाणुओं के छोटे से पड़ोस को देखा। उन्होंने हजारों अलग-अलग परमाणु व्यवस्थाओं का परीक्षण करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया और उस ऊर्जा का मानचित्र बनाने के लिए दो अलग-अलग "प्रेडिक्शन इंजन" बनाए, जो एक ऑक्सीजन परमाणु के स्थान पर खाली जगह (वैकेंसी) बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा को दर्शाते हैं।

उनकी बड़ी खोज यह है कि "शहर" की तुलना में "पड़ोस" अधिक महत्वपूर्ण है। विशेष रूप से, ऑक्सीजन के स्थान के ठीक बगल वाले दो परमाणुओं (B-साइट परमाणु) की पहचान यह नियंत्रित करती है कि उस ऑक्सीजन को हटाने की ऊर्जा लागत क्या होगी, जो एक भारी या हल्के दरवाजे के कब्जे की तरह कार्य करती है। मैंगनीज और टाइटेनियम के मिश्रण को उनके निकटतम पड़ोसियों में बदलने से ऊर्जा लागत में 1.0 से 1.5 इलेक्ट्रॉन वोल्ट का भारी बदलाव आ सकता है। इसके विपरीत, थोड़े दूर स्थित परमाणु (A-साइट परमाणु, जैसे सीरियम) ऊर्जा को केवल 0.2 से 0.6 इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक ही प्रभावित करते हैं। इसका मतलब है कि यदि आप परमाणुओं को इस तरह व्यवस्थित कर सकें कि "अच्छे" पड़ोसी एक साथ क्लस्टर में हों, तो आप पूरी रेसिपी बदले बिना पत्थर के प्रदर्शन को ट्यून कर सकते हैं।

टीम को रेसिपी बुक में एक "स्वीट स्पॉट" मिला जहाँ पत्थर स्थिर है और इसमें ऊर्जा का सही संतुलन है: लगभग 29–33% सीरियम और 58–67% मैंगनीज का मिश्रण। इस क्षेत्र में, पत्थर 1,350°C पर हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकता है, जो पुराने चैंपियन, सेरिया के लिए आवश्यक 1,600°C की तुलना में बहुत अधिक प्रबंधनीय तापमान है। यह साबित करने के लिए कि उनके कंप्यूटर मॉडल केवल सपने नहीं देख रहे थे, उन्होंने वास्तव में लैब में इस पत्थर के तीन अलग-अलग संस्करण बनाए और उनका परीक्षण किया। प्रयोगों ने दिखाया कि जैसे-जैसे उन्होंने अधिक सीरियम जोड़ा, पत्थर की ऑक्सीजन बदलने की क्षमता बढ़ गई, जो उनके कंप्यूटर मॉडल द्वारा अनुमानित दिशा से मेल खाती थी। हालांकि लैब से प्राप्त सटीक संख्याएं सिमुलेशन की तुलना में थोड़ी कम थीं (संभवतः इसलिए क्योंकि वास्तविक दुनिया के परीक्षण पूर्ण संतुलन तक पहुँचने के लिए पर्याप्त समय तक नहीं चले), रुझान स्पष्ट था। यह अध्ययन सुझाव देता है कि स्थानीय स्तर पर परमाणुओं की व्यवस्था को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, हम सूर्य के प्रकाश को स्वच्छ हाइड्रोजन ईंधन में बदलने के लिए बेहतर, सस्ते पदार्थ डिजाइन कर सकते हैं।