Crystallographic Orientation of the Substrate Enables Micromole-Level Lithium-Mediated Ammonia Synthesis at 500 mA cm-2

अमोनिया आधुनिक जीवन की अदृश्य रीढ़ है। यह उन उर्वरकों का प्राथमिक घटक है जो अरबों लोगों का पेट भरते हैं, और इसे जीवाश्म ईंधन रहित भविष्य के लिए ऊर्जा संग्रहीत करने के एक स्वच्छ तरीके के रूप में तेजी से देखा जा रहा है। एक सदी से अधिक समय से, मानवता इसे बनाने के लिए एक एकल, ऊर्जा-गहन विधि पर निर्भर रही है, जिसमें अत्यधिक गर्मी और दबाव की आवश्यकता होती है और जो भारी मात्रा में प्राकृतिक गैस जलाती है। वैज्ञानिक लंबे समय से बिजली और हवा का उपयोग करके कमरे के तापमान पर अमोनिया बनाने का तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, एक ऐसा सपना जो स्वयं वायुमंडल को ही एक कारखाने में बदल देगा। एक आशाजनक मार्ग में लिथियम का उपयोग करना शामिल है, जो एक ऐसा धातु है जो इलेक्ट्रॉन त्यागने के लिए जाना जाता है, ताकि वह हवा से नाइट्रोजन को पकड़ सके और उसे अमोनिया में बदल सके। हालाँकि, यह विधि प्रयोगशाला से वास्तविक दुनिया तक पहुँचने में संघर्ष करती रही है क्योंकि यह अस्थिर है। जब प्रतिक्रिया तेज होती है, तो धातु की सतह पर बनने वाली सुरक्षात्मक परत टूट जाती है, जिससे ऊर्जा की बर्बादी और उत्पादन में विफलता होती है।

शंघाई जियाओ टोंग विश्वविद्यालय, टोंगजी विश्वविद्यालय और हेनान विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने धातु की सतह के आकार को बदलकर इस प्रक्रिया को स्थिर करने का एक तरीका खोज निकाला है। धातु के चारों ओर के तरल रसायनों को ठीक करने के बजाय, उन्होंने स्वयं ठोस धातु को बदल दिया। उन्होंने पाया कि तांबे की सतह पर परमाणुओं को एक विशिष्ट ज्यामितीय पैटर्न में व्यवस्थित करके, वे प्रतिक्रिया को एक मजबूत, अधिक टिकाऊ सुरक्षात्मक परत बनाने के लिए मजबूर कर सकते हैं। इस सरल परिवर्तन ने सिस्टम को अविश्वसनीय रूप से उच्च गति पर चलने की अनुमति दी, जिससे अमोनिया उस दर से उत्पादित हुआ जो इस प्रकार के रसायन विज्ञान के लिए पहले असंभव माना जाता था।

लिथियम के साथ अमोनिया बनाने की मुख्य समस्या धातु की सतह पर नियंत्रण की लड़ाई है। जब बिजली प्रवाहित होती है, तो इलेक्ट्रोड पर एक पतली फिल्म बनती है जिसे सॉलिड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज़ (solid-electrolyte interphase) कहा जाता है। यह फिल्म एक द्वारपाल की तरह कार्य करती है, जो सही सामग्रियों को गुजरने देती है जबकि गलत चीजों को रोक देती है। अधिकांश सेटअप में, यह फिल्म कमजोर और असमान होती है। यह तरल विलायक को टूटने देती है और एक अराजक वातावरण बनाती है जहाँ अमोनिया के बजाय हाइड्रोजन गैस बनती है, जिससे विद्युत धारा बर्बाद होती है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि इस फिल्म का प्रारंभिक निर्माण नीचे स्थित धातु की क्रिस्टल संरचना पर बहुत अधिक निर्भर करता है। ठीक वैसे ही जैसे ईंटों को रखने के तरीके के आधार पर एक ईंट की दीवार अलग दिखती है, धातु के क्रिस्टल की परमाणु परतें तरल के सामने अलग-अलग चेहरे प्रस्तुत करती हैं।

इसका परीक्षण करने के लिए, टीम ने एक विशेष तांबे का इलेक्ट्रोड बनाया जहाँ सतह के परमाणु एक विशिष्ट चेहरे के संरेखित थे, जिसे क्रिस्टलोग्राफी में (220) फैसेट (facet) के रूप में जाना जाता है। उन्होंने इसे विशिष्ट रासायनिक समूहों से समृद्ध एक घोल में तांबे को उगाकर प्राप्त किया जो इस विशेष ओरिएंटेशन को अन्य की तुलना में तेजी से बढ़ने के लिए प्रोत्साहित करते हैं। इसने एक ऐसी सतह बनाई जो तरल इलेक्ट्रोलाइट में मौजूद ऋणात्मक आयनों के लिए एक चुंबक की तरह कार्य करती है। क्योंकि ये आयन सतह की ओर इतनी मजबूती से खींचे जाते हैं, वे धातु के किनारे पर एक साथ जमा हो जाते हैं, जिससे एक ऐसा स्थानीय वातावरण बनता है जो बाकी तरल की तुलना में इन आयनों के मामले में बहुत समृद्ध है। यह उच्च सांद्रता एक तीव्र और व्यवस्थित सुरक्षात्मक फिल्म के निर्माण को प्रेरित करती है, जो लिथियम फ्लोराइड और लिथियम सल्फाइड जैसी अकार्बनिक सामग्रियों से समृद्ध होती है। ये सामग्रियां मजबूत और प्रवाहकीय होती हैं, जबकि आमतौर पर बनने वाला अव्यवस्थित कार्बनिक कचरा सिस्टम को जाम कर देता है।

इस संरचनात्मक इंजीनियरिंग के परिणाम तत्काल और नाटकीय थे। मानक परीक्षणों में, नए इलेक्ट्रोड ने 82.6 प्रतिशत की दक्षता के साथ अमोनिया का उत्पादन किया, जिसका अर्थ है कि उपयोग की गई अधिकांश बिजली बगल की प्रतिक्रियाओं में नष्ट होने के बजाय सीधे वांछित उत्पाद बनाने में गई। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि जब शोधकर्ताओं ने करंट को चरम स्तर तक पहुँचाया, तब भी सिस्टम स्थिर रहा। उन्होंने प्रयोग को 500 मिलीएम्पियर प्रति वर्ग सेंटीमीटर के करंट डेंसिटी पर चलाया, जो कि सामान्य प्रयोगशाला प्रयोगों की तुलना में सैकड़ों गुना तेज है। इन कठिन परिस्थितियों के तहत, सिस्टम ने 63.9 प्रतिशत की दक्षता बनाए रखी और 1.1 माइक्रोमोल प्रति सेकंड प्रति वर्ग सेंटीमीटर की दर से अमोनिया का उत्पादन किया। इस उच्च-गति वाली प्रतिक्रिया के लिए यह प्रदर्शन बीस मिनट से अधिक समय तक बना रहा, जो कि एक महत्वपूर्ण अवधि है।

शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह सफलता नए सतह के अद्वितीय गुणों से आई है। उन्होंने देखा कि संशोधित तांबे पर सुरक्षात्मक फिल्म चिकनी, एकसमान और मानक तांबे में दिखने वाले बड़े गड्ढों और दरारों से मुक्त थी। रासायनिक विश्लेषण ने दिखाया कि फिल्म उनकी अपेक्षित मजबूत अकार्बनिक यौगिकों से भरी हुई थी, जबकि कमजोर, अस्थिर कार्बनिक उपोत्पाद लगभग पूरी तरह से अनुपस्थित थे। नई सतह ने लिथियम आयनों को पहले की तुलना में बहुत तेजी से फिल्म के माध्यम से गुजरने की अनुमति भी दी, जिससे पूरी प्रतिक्रिया तेज हो गई। केवल तांबे के परमाणुओं के ओरिएंटेशन को बदलकर, टीम ने प्रभावी रूप से इंटरफेस की केमिस्ट्री को नियंत्रित किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि ठोस सतह उतनी ही महत्वपूर्ण है जितना कि वह तरल जिसे वह छूता है। यह कार्य सुझाव देता है कि औद्योगिक स्तर पर अमोनिया उत्पादन का मार्ग नए रसायनों या जटिल मशीनरी की आवश्यकता नहीं रखता, बल्कि हमारे द्वारा उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोडों पर परमाणुओं को व्यवस्थित करने के एक स्मार्ट तरीके की आवश्यकता है।