NiCo alloys anchored on N-doped carbon nanotubes as efficient bifunctional electrocatalysts for overall water splitting
यह अध्ययन हाइड्रोथर्मल और कैल्सीनेशन विधियों के माध्यम से नाइट्रोजन-डोप्ड कार्बन नैनोट्यूब पर एंकर किए गए माइक्रोफ्लावर-जैसे NiCo मिश्र धातु नैनोकणों (NiCo@NCNTs) के संश्लेषण की रिपोर्ट करता है, जो समग्र जल विभाजन के लिए अत्यधिक कुशल और स्थिर द्विआयामी इलेक्ट्रोकैटालिस्ट के रूप में कार्य करते हैं, जो 10 mA cm⁻² पर 1.70 V का सेल वोल्टेज प्राप्त करते हैं।
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स्वच्छ ऊर्जा के भविष्य का सपना अक्सर एक एकल, सरल अणु पर टिका होता है: हाइड्रोजन। जीवाश्म ईंधन के विपरीत, जो जलने पर कार्बन छोड़ते हैं, हाइड्रोजन केवल पानी पैदा करता है, जो इसे नवीकरणीय ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए एक आदर्श वाहक बनाता है। इस हाइड्रोजन को बनाने का सबसे आशाजनक तरीका बिजली का उपयोग करके पानी के अणुओं को अलग करना है, जिसे इलेक्ट्रोलिसिस (electrolysis) के रूपach प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है। हालाँकि, प्रकृति इसे कठिन बनाती है। पानी को विभाजित करने के लिए तरल के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों को धकेलने की आवश्यकता होती है, लेकिन यह प्रतिक्रिया धीमी गति से चलती है, जिससे शुरू करने के लिए बहुत अधिक अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इस प्रक्रिया को कुशल और किफायती बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को विशेष सामग्रियों की आवश्यकता होती है जिन्हें उत्प्रेरक (catalysts) कहा जाता है। ये त्वरक (accelerators) की तरह कार्य करते हैं, जो ऊर्जा की बाधा को कम करते हैं ताकि प्रतिक्रिया तेजी से और सुचारू रूप से हो सके। वर्षों से, सबसे अच्छे उत्प्रेरक प्लैटिनम और रूथेनियम जैसी दुर्लभ और महंगी धातुओं से बने रहे हैं, जो इनके उपयोग को बड़े पैमाने के पावर प्लांट के बजाय प्रयोगशालाओं तक सीमित कर देते हैं। शोधकर्ताओं के लिए चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने की रही है जो सस्ती हो, प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हो, और पानी को विभाजित करने वाली प्रतिक्रिया के दोनों पक्षों को एक साथ तेज करने में सक्षम हो।
हाल ही में एक अध्ययन में, जियांग्सू यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और नेवी सबमरीन एकेडमी, चीन के शोधकर्ताओं ने एक नया उत्प्रेरक विकसित किया है जो इन बाधाओं को दूर करता है। उन्होंने एक ऐसी सामग्री बनाई जो नाइट्रोजन से युक्त कार्बन नैनोट्यूब के ढांचे पर टिके हुए निकल और कोबाल्ट के मिश्रण से बने सूक्ष्म कणों से बनी है। इसे बनाने के लिए, टीम ने पहले एक घोल में एक अग्रदूत (precursor) सामग्री उगाई, जिससे एक ऐसी संरचना बनी जो परतों वाली शीटों से बने सूक्ष्म फूलों की तरह दिखाई देती थी। फिर उन्होंने इस सामग्री को एक नियंत्रित वातावरण में गर्म किया, एक ऐसी प्रक्रिया जिसने धातु की शीटों को ठोस मिश्र धातु नैनोकणों में बदल दिया और साथ ही आसपास की जैविक सामग्री को कार्बन ट्यूबों के नेटवर्क में परिवर्तित कर दिया। हीटिंग चरण के दौरान जोड़ी गई नाइट्रोजन परमाणु, कार्बन संरचना में समाहित हो गए, जिससे एक अत्यधिक प्रवाहकीय (conductive) और रासायनिक रूप से सक्रिय सतह बन गई।
शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए कि यह नई सामग्री कितनी अच्छी तरह काम करती है, इसे एक बुनियादी जल समाधान में रखा और हाइड्रोजन और ऑक्सीजन उत्पन्न करने के लिए आवश्यक वोल्टेज को मापा। उन्होंने पाया कि निकेल और कोबाल्ट के मिश्रण वाला विशिष्ट अनुपात जिसमें कोबाल्ट की तुलना में निकेल दोगुना था, सबसे अच्छा प्रदर्शन करता है। उत्पादन की एक मानक दर पर, इस उत्प्रेरक को प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए बहुत कम अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता थी, जो शुद्ध निकेल या शुद्ध कोबाल्ट संस्करणों की तुलना में बहुत कम थी, और यहाँ तक कि संदर्भ के रूप में उपयोग किए जाने वाले महंगे वाणिज्यिक बेंचमार्क से भी कम थी। यह सामग्री प्रतिक्रिया को सुगम बनाने में भी उल्लेखनीय गति प्रदर्शित करती है, एक ऐसा गुण जिसे वैज्ञानिक इस रूप में मापते हैं कि वोल्टेज बढ़ने पर करंट कितनी तेजी से बढ़ता है। केवल तेज होने के अलावा, यह सामग्री बेहद मजबूत भी साबित हुई। अठारह घंटों तक लगातार चलने के बाद भी, इसने बिना किसी महत्वपूर्ण गिरावट के अपना प्रदर्शन बनाए रखा, और परीक्षण के हजारों चक्रों के बाद भी इसकी संरचना बरकरार रही।
इस सामग्री की सफलता इसके घटकों के काम करने के अनूठे तरीके से आती है। कार्बन नैनोट्यूब इलेक्ट्रॉनों के लिए एक राजमार्ग के रूप में कार्य करते हैं, जो चार्ज को उन सक्रिय स्थलों तक कुशलतापूर्वक पहुँचाते हैं जहाँ पानी का विभाजन होता है। ट्यूबों के भीतर मौजूद नाइट्रोजन परमाणु धातु के कणों को उनके स्थान पर बनाए रखने में मदद करते हैं, जिससे उन्हें आपस में जुड़ने या कठोर रासायनिक वातावरण में संक्षारित (corrode) होने से रोका जा सके। इसके अलावा, निकेल और कोबाल्ट का विशिष्ट अनुपात एक ऐसा इलेक्ट्रॉनिक वातावरण बनाता है जो पानी के अणुओं को पकड़ने और उन्हें तोड़ने के लिए पूरी तरह से ट्यून किया गया है। जब शोधकर्ताओं ने इस सामग्री का उपयोग सकारात्मक और नकारात्मक दोनों इलेक्ट्रोड के रूप में करके एक पूर्ण जल-विभाजन उपकरण बनाया, तो इस प्रतिक्रिया को चलाने के लिए सिस्टम को कुल 1.70 वोल्ट की आवश्यकता थी। यह सर्वोत्तम संभावित सैद्धांतिक प्रदर्शन से एक मामूली वृद्धि है, फिर भी यह कीमती धातुओं का उपयोग करने की तुलना में लागत-प्रभावशीलता में एक बड़ा सुधार है। इस उपकरण ने हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का बिल्कुल उसी अनुपात में उत्पादन किया जैसा कि रसायन विज्ञान द्वारा अनुमानित है, जिससे पुष्टि हुई कि प्रतिक्रिया स्वच्छ और कुशल थी।
यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि सामान्य धातुओं की संरचना को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके और उन्हें एक प्रवाहकीय कार्बन नेटवर्क के साथ जोड़कर, स्वच्छ ईंधन उत्पन्न करने के लिए एक शक्तिशाली, टिकाऊ और किफायती उपकरण बनाना संभव है। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि उच्च प्रदर्शन की कुंजी न केवल धातुओं में है, बल्कि इस बात में भी है कि उन्हें कैसे व्यवस्थित और समर्थित किया जाता है। नाइट्रोजन-डोप्ड कार्बन नैनोट्यूब पर मिश्र धातु नैनोकणों को स्थापित करके, शोधकर्ताओं ने एक स्थिर प्रणाली बनाई जो निरंतर संचालन के उतार-चढ़ाव का सामना करती है। यह दृष्टिकोण अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रोलाइज़र विकसित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जो इस तकनीक को एक ऐसे भविष्य के करीब ले जाता है जहाँ हाइड्रोजन को दुर्लभ संसाधनों पर निर्भर हुए बिना औद्योगिक स्तर पर उत्पादित किया जा सके।
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