Identifying intercalation electrodes for electrochemical ion recovery and desalination
यह अध्ययन 20,000 से अधिक सामग्रियों की स्क्रीनिंग करने और चयनात्मक आयन रिकवरी के लिए 11 आशाजनक इंटरकलेशन इलेक्ट्रोड और एक डिसेलिनेशन (लवणीकरण हटाने) के लिए एक इलेक्ट्रोड की पहचान करने हेतु एक हाई-थ्रूपुट कम्प्यूटेशनल वर्कफ़्लो का उपयोग करता है, जो ऊर्जा-कुशल जल उपचार प्रौद्योगिकियों को आगे बढ़ाने के लिए थर्मोडायनामिक रूप से प्रमाणित उम्मीदवारों की एक सूची प्रदान करता है।
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जैसे-जैसे समुद्र का जलस्तर बढ़ रहा है और मानवीय गतिविधियों के कारण नदियों और झीलों में लवण की मात्रा बढ़ रही है, मीठा पानी एक दुर्लभ संसाधन बनता जा रहा है। हालांकि पीने योग्य पानी बनाने के लिए समुद्री जल से नमक हटाना एक ज्ञात चुनौती है, लेकिन महासागरों में लिथियम, मैग्नीशियम और कैल्शियम जैसे मूल्यवान खनिजों का एक खजाना भी छिपा है। उसी पानी से इन विशिष्ट तत्वों को निकालना जिसे हम साफ करना चाहते हैं, एक अनूठी इंजीनियरिंग समस्या पेश करता है। पानी को साफ करने की पारंपरिक विधियाँ, जैसे कि इसे महीन झिल्लियों (मेम्ब्रेन) के माध्यम से धकेलना, सभी लवणों को हटाने में प्रभावी तो हैं लेकिन वे एक उपयोगी खनिज और एक बेकार खनिज के बीच अंतर नहीं कर सकतीं। इसके विपरीत, किसी एक खनिज को बाहर निकालने के लिए डिज़ाइन की गई विधियों को समुद्र के जटिल और खारे वातावरण में कुशलतापूर्वक काम करने में संघर्ष करना पड़ता है। समाधान ऐसे पदार्थों को खोजने में निहित है जो 'चयनात्मक स्पंज' (सिलेक्टिव स्पंज) की तरह कार्य कर सकें, जो केवल उन्हीं आयनों को सोख लें जिन्हें हम चाहते हैं, या इसके विपरीत, सब कुछ सोख लें ताकि शुद्ध पानी बच सके।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'इंटरकैलेशन इलेक्ट्रोड' (intercalation electrodes) नामक सामग्रियों की ओर रुख किया। ये अपने क्रिस्टल जाली (क्रिस्टल लैटिस) के भीतर छोटे, खाली स्थानों वाले ठोस ढांचे होते हैं, जो बिल्कुल एक ऐसे मधुमक्खी के छत्ते की तरह हैं जिसमें कुछ सेल गायब हों। जब इन्हें पानी में रखकर एक बिजली स्रोत से जोड़ा जाता है, तो ये सामग्रियां तरल से आवेशित परमाणुओं, या आयनों को खींच सकती हैं और उन्हें सुरक्षित रूप से उन खाली स्थानों में लॉक कर सकती हैं। यह वही प्रक्रिया है जो लिथियम-आयन बैटरी को ऊर्जा संग्रहीत करने की अनुमति देती है, लेकिन यहाँ लक्ष्य बिजली संग्रहीत करना नहीं, बल्कि पानी से विशिष्ट परमाणुओं की कटाई करना है। चुनौती यह है कि इस उद्देश्य के लिए वर्तमान में उपयोग की जाने वाली सामग्रियां, जैसे कि कुछ आयरन और मैंगनीज यौगिक, समुद्री जल की कठोर और खारी स्थितियों के संपर्क में आने पर अक्सर टूट जाती हैं या घुल जाती हैं। वे या तो काम करने में बहुत धीमी हैं या समय के साथ अस्थिर हैं।
एक नए अध्ययन में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने हजारों संभावनाओं की तलाश करके बेहतर सामग्रियां खोजने का प्रयास किया जिन्हें कभी लैब में टेस्ट नहीं किया गया था। उन्होंने बीकर में रसायन नहीं मिलाए; इसके बजाय, उन्होंने शक्तिशाली कंप्यूटरों का उपयोग यह सिम्युलेट करने के लिए किया कि विभिन्न क्रिस्टल संरचनाएं समुद्री जल में कैसा व्यवहार करेंगी। उन्होंने 20,000 से अधिक अलग-अलग रासायनिक संरचनाओं वाली एक विशाल डिजिटल लाइब्रेरी से शुरुआत की जिनमें लिथियम, सोडियम, पोटेशियम, मैग्नीशियम या कैल्शियम शामिल हैं। 'डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी' (density functional theory) नामक एक विधि का उपयोग करते हुए, जो परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा की गणना करती है, उन्होंने मॉडल किया कि प्रत्येक संरचना पानी में डूबने पर कैसी प्रतिक्रिया देगी, जिसमें समुद्र की विशिष्ट रासायनिक बनावट भी शामिल थी।
शोधकर्ताओं को इस तथ्य को ध्यान में रखना पड़ा कि समुद्री जल केवल पानी और नमक नहीं है; यह आयनों का एक जटिल मिश्रण है जो कई सामग्रियों पर हमला कर सकते हैं और उन्हें घोल सकते हैं। उन्होंने विस्तृत मानचित्र बनाए, जिन्हें 'पुरबे (Pourbaix) आरेख' कहा जाता है, जो दिखाते हैं कि अम्लता और विद्युत वोल्टेज के कौन से संयोजन एक सामग्री को ठोस और स्थिर रहने देते हैं। उन्होंने इन मानचित्रों को समुद्री जल में पाए जाने वाले विशिष्ट आयनों, जैसे कि क्लोराइड और सल्फेट को शामिल करने के लिए समायोजित किया, जिन्हें अक्सर मानक परीक्षणों में अनदेखा कर दिया जाता है। फिर उन्होंने नियमों का एक सख्त सेट लागू किया: एक सामग्री को समुद्री जल में स्थिर रहना चाहिए, बिना टूटे अपने द्वारा पकड़े गए आयनों को थामे रखना चाहिए, और ऐसा एक विद्युत वोल्टेज पर करना चाहिए जो सुरक्षित और व्यावहारिक हो। उन्होंने ऐसी सामग्रियों की भी तलाश की जो चयनात्मक (सिलेक्टिव) हो सकें, जिसका अर्थ है कि वे केवल एक प्रकार के आयन को पकड़ें, या गैर-चयनात्मक (नॉन-सिलेक्टिव) हों, जिसका अर्थ है कि वे एक साथ कई प्रकार के आयनों को पकड़ें।
इन सिमुलेशन चलाने के बाद, व्यवहार्य उम्मीदवारों की संख्या नाटकीय रूप से कम हो गई। 20,414 संरचनाओं में से, केवल कुछ ही हर परीक्षण में सफल रहे। टीम ने विशिष्ट आयनों के लिए 'चयनात्मक स्पंज' के रूप में कार्य करने वाली 11 आशाजनक सामग्रियों की पहचान की। उदाहरण के लिए, उन्होंने 'आयरन मोलिब्डेट' नामक एक सामग्री पाई जो अन्य आयनों को नजरअंदाज करते हुए लिथियम (जो बैटरी के लिए एक महत्वपूर्ण तत्व है) को पकड़ने में अत्यधिक प्रभावी है। उन्होंने अन्य संरचनाएं भी पाईं जो मैग्नीशियम, कैल्शियम, सोडियम या पोटेशियम को चुनिंदा रूप से कैप्चर कर सकती हैं। ये निष्कर्ष महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे विशिष्ट रासायनिक रेसिपी की एक सूची प्रदान करते हैं जिसे अब प्रयोगकर्ता वास्तविक दुनिया में बनाने और परीक्षण करने के लिए उपयोग कर सकते हैं। इनमें से कुछ सामग्रियां पहले से ही ज्ञात अस्तित्व में हैं, जबकि अन्य पूरी तरह से नई सैद्धांतिक खोजें हैं जो कंप्यूटर का सुझाव है कि काम करनी चाहिए।
अध्ययन ने उन सामग्रियों की भी तलाश की जो डिसेलेनेशन (अलवणीकरण) के लिए सामान्य स्पंज के रूप में कार्य कर सकें, यानी सभी अवांछित आयनों को हटाकर शुद्ध पानी छोड़ सकें। शोधकर्ताओं ने पाया कि 'ओलिविन-आयरन फॉस्फेट' नामक एक सामान्य सामग्री इस काम के लिए सबसे अच्छा उम्मीदवार है, जो एक साथ चार अलग-अलग प्रकार के आयनों को पकड़ने में सक्षम है। हालाँकि, उन्होंने स्पष्ट रूप से अन्य सामग्रियों को खारिज कर दिया, जैसे कि कुछ मैंगनीज-आधारित यौगिक जिनका वर्तमान में अनुसंधान में उपयोग किया जाता है। उनके सिमुलेशन ने दिखाया कि ये मैंगनीज सामग्रियां समुद्री जल में घुल जाएंगी, जिससे वे दीर्घकालिक उपयोग के लिए अनुपयुक्त हो जाएंगी। यह अंतर महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह वैज्ञानिकों को उन सामग्रियों को सुधारने में समय बर्बाद करने से रोकता है जो समुद्र के वातावरण में मौलिक रूप से अस्थिर हैं।
शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि उनकी सूची उपलब्ध डेटा से काफी प्रभावित है। चूंकि बैटरी के लिए लिथियम पर बहुत अधिक शोध किया गया है, इसलिए डेटाबेस में अधिक लिथियम युक्त संरचनाएं मौजूद हैं, यही कारण है कि अंतिम सूची में कई लिथियम-चयनात्मक उम्मीदवार शामिल हैं। उन्होंने स्वीकार किया कि उनके कंप्यूटर मॉडल आदर्श स्थितियों पर आधारित हैं और अभी तक इसमें यह शामिल नहीं है कि आयन सामग्री के माध्यम से कितनी तेजी से चलते हैं या वर्षों के उपयोग के दौरान सामग्री कैसे खराब हो सकती है। फिर भी, यह अध्ययन एक मजबूत, थर्मोडायनामिक रोडमैप प्रदान करता है। यह हमें बताता है कि कौन सी सामग्रियां समुद्र में मौजूद रहने के लिए पर्याप्त स्थिर हैं और कौन सी विफल होने की संभावना है, जो संसाधनों की कटाई करने और हमारे पानी को साफ करने के लिए अगली पीढ़ी की तकनीक विकसित करने हेतु एक स्पष्ट शुरुआती बिंदु प्रदान करती है।
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