Understanding the Oxygen Reduction Reaction and Oxygen Evolution Reaction in Metal Intercalated Biphenylene Bilayers
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए एब इनिशियो (ab initio) गणनाओं का उपयोग करता है कि धातु-कैद बाइफिनिलिन द्विपरत (biphenylene bilayers), ऑक्सीजन अपचयन और विकास अभिक्रियाओं के लिए कुशल द्विकार्यात्मक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करती हैं, जिसमें विशिष्ट धातुएं जैसे कि Mn और Fe क्रमशः ORR और OER के लिए इष्टतम पाई गई हैं, जो मुख्य रूप से अंतःस्थापित धातु के d-कक्षक आवेश जनसंख्या (d-orbital charge population) द्वारा संचालित होती हैं।
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स्वच्छ ऊर्जा की दुनिया की कल्पना एक विशाल, उच्च-दांव वाले रासायनिक सॉकर गेम के रूप में करें। गेंद ऑक्सीजन है, और लक्ष्य या तो इसे पकड़ना है (बैटरी में ऊर्जा मुक्त करने के लिए) या इसे बाहर निकालना है (पानी को विभाजित करके ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए)। इन लक्ष्यों को स्कोर करने की कोशिश करने वाले खिलाड़ियों को उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) कहा जाता है—विशेष सामग्रियां जो बिना थके खेल की गति बढ़ा देती हैं। वर्षों से, स्टार खिलाड़ी प्लैटिनम जैसे महंगे धातु रहे हैं, लेकिन उनमें एक घातक दोष है: वे नाजुक हैं। एक कमजोर टखने वाले सॉकर खिलाड़ी की तरह, वे अक्सर घायल (संक्षारित) हो जाते हैं या भाग जाते हैं (घुल जाते हैं) जब खेल कठिन हो जाता है, जिससे टीम की दक्षता कम हो जाती है। वैज्ञानिक एक नए प्रकार के खिलाड़ी की तलाश में हैं: जो सस्ता हो, मजबूत हो और अविश्वसनीय रूप से तेज हो। यहीं पर "बिफेनीलीन" (biphenylene) की कहानी आती है। बिफेनीलीन को पूरी तरह से कार्बन परमाणुओं से बनी एक अनूठी, हनीकॉम्ब जैसी जाल के रूप में समझें। यह केवल एक सपाट शीट नहीं है; यह एक मजबूत, दो-परत वाला ट्रैम्पोलिन है। शोधकर्ताओं ने पूछा गया बड़ा सवाल था: "क्या होगा यदि हम एक धातु खिलाड़ी को इस ट्रैम्पोलिन के अंदर छिपा दें, यानी दो परतों के बीच सैंडविच की तरह, ताकि धातु खेल की उथल-पुथल से सुरक्षित रहे, फिर भी गेंद को छूने में सक्षम हो?"
यह शोध पत्र शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके ठीक इसी विचार की गहराई से जांच करता है। शोधकर्ताओं ने विभिन्न धातु "खिलाड़ियों" की एक पूरी टीम का परीक्षण करने के लिए एक वर्चुअल प्रयोगशाला बनाई—जिसमें टाइटेनियम, आयरन, कॉपर, प्लैटिनम और कई अन्य शामिल थे—जिन्हें दो बिफेनीलीन कार्बन परतों के बीच सैंडविच में छिपाया गया था। वे यह देखना चाहते थे कि कौन सा धातु-कार्बन संयोजन दो सबसे महत्वपूर्ण खेलों में सबसे अच्छा खेल सकता है: ऑक्सीजन रिडक्शन रिएक्शन (ORR), जो तब होता है जब बैटरी डिस्चार्ज हो रही होती है, और ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन (OER), जो तब होता है जब बैटरी चार्ज हो रही होती है।
टीम ने पाया कि धातु को छिपाना जादू की तरह काम करता है। धातु खुले में बैठने के बजाय, जहाँ वह घायल हो सकता है, बीच में सुरक्षित रूप से बैठता है, जिसे कार्बन परतें ढाल प्रदान करती हैं। यह सेटअप धातु को घुलने से सुरक्षित रखता है, जबकि कार्बन सतह को ऑक्सीजन को पकड़ने का भारी काम करने देता है। जब उन्होंने गणना की, तो उन्होंने पाया कि सभी धातुएं समान नहीं होती हैं। ORR गेम के लिए सर्वश्रेष्ठ "गोल स्कोरर" कॉपर और प्लset प्लैटिनम थे, जो 0.42 और 0.44 वोल्ट के क्रमशः ओवरपोटेंशियल (ऊर्जा की बर्बादी का एक माप) के साथ खेल सकते थे। OER गेम के लिए, आयरन एक सुपरस्टार के रूप में उभरा, जिसने केवल 0.44 वोल्ट के ओवरपोटेंशियल के साथ प्रदर्शन किया, जो वर्तमान स्वर्ण मानक से काफी बेहतर है।
लेकिन यह शोध पत्र केवल यह कहने पर नहीं रुकता कि "आयरन अच्छा है।" लेखकों ने यह समझने की कोशिश की कि ये विशिष्ट धातु चैंपियन क्यों थे। उन्होंने परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनिक "व्यक्तित्व" को देखा, विशेष रूप से कैसे धातु के d-कक्षाओं (d-orbitals) के इलेक्ट्रॉन और कार्बन के p-कक्षाओं के बीच परस्पर क्रिया होती है। उन्होंने एक दिलचस्प पैटर्न पाया: इन उत्प्रेरकों का प्रदर्शन एक "ज्वालामुखी" (volcano) के आकार का अनुसरण करता है। यदि इलेक्ट्रॉनिक संपर्क बहुत कमजोर है, तो प्रतिक्रिया शुरू नहीं होती; यदि यह बहुत मजबूत है, तो प्रतिक्रिया फंस जाती है। सर्वश्रेष्ठ उत्प्रेरक ज्वालामुखी के शिखर पर स्थित होते हैं। दिलचस्प बात यह है कि उन्होंने पाया कि केवल धातु के इलेक्ट्रॉनिक केंद्र को देखना विजेता की भविष्यवाणी करने के लिए पर्याप्त नहीं था। इसके बजाय, धातु के d-कक्षाओं में मौजूद इलेक्ट्रॉनों की संख्या सबसे विश्वसनीय भविष्यवक्ता थी। OER गेम के लिए, आयरन के पास सटीक इलेक्ट्रॉन गणना थी, जबकि ORR गेम के लिए, मैंगनीज आदर्श स्थान के सबसे करीब था।
शोधकर्ताओं ने अपने वर्चुअल सिस्टम को 400 केल्विन (लगभग 250°F) पर थोड़े समय के लिए हिलाकर एक "हीट टेस्ट" का भी सिमुलेशन किया। परिणाम क्या रहा? धातु के परमाणु अपने कार्बन सैंडविच के भीतर लॉक रहे, वे भटकने या आपस में गुच्छे बनाने से इनकार करते रहे। यह सुझाव देता है कि ये सामग्रियां न केवल तेज हैं, बल्कि वास्तविक बैटरी की कठोर परिस्थितियों में जीवित रहने के लिए पर्याप्त मजबूत भी हैं। हालांकि ये परिणाम वर्तमान में सिमुलेशन हैं और अभी तक किसी भौतिक प्रयोगशाला में नहीं बनाए गए हैं, लेकिन यह अध्ययन सुझाव देता है कि किस धातु को छिपाना है और इलेक्ट्रॉन गणना को सावधानीपूर्वक चुनकर, हम सुपर-कैटलिस्ट की एक नई पीढ़ी डिजाइन कर सकते हैं। कार्बन ढांचा स्वयं सक्रिय नायक बन जाता है, जो प्रतिक्रिया को संचालित करता है, जबकि छिपा हुआ धातु एक कोच के रूप में कार्य करता है, जो प्रदर्शन को पूरी तरह से ट्यून करता है। यह दुर्लभ, महंगी धातुओं पर निर्भर न रहने वाले सस्ते, टिकाऊ और कुशल ऊर्जा उपकरणों बनाने के लिए एक आशाजनक द्वार खोलता है।
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