A Liquid Phase to Destabilize Nanoconfined LiBH4/LiH: the LiCl/KCl Eutectic
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि इनसिपिएंट वेटनेस इम्प्रेग्नेशन (incipient wetness impregnation) के माध्यम से एक LiCl/KCl यूटेक्टिक के साथ मेसोपोरस कार्बन मैट्रिक्स को सजाने से नैनो-कन्फाइंड LiBH4 प्रभावी रूप से अस्थिर हो जाता है, जिससे हाइड्रोजन रिलीज का आरंभ तापमान कम हो जाता है और LiK(BH4)2 का निर्माण प्रेरित होता है, हालांकि इस विधि की प्रभावकारिता वेट-इम्प्रेग्न्ड (wet-impregnated) और मैकेनिकल ग्राउंड (mechanically ground) नमूनों के बीच काफी भिन्न होती है।
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हाइड्रोजन का भंडारण स्वच्छ ऊर्जा परिवर्तन की महान इंजीनियरिंग चुनौतियों में से एक है। जबकि हाइड्रोजन एक शक्तिशाली ईंधन है जो जलने पर केवल पानी पैदा करता है, यह अविश्वसनीय रूप से हल्का है और इसे सघन रूप में रखना कठिन है। इसे वाहनों या पोर्टेबल पावर के लिए उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिक ऐसी सामग्रियों की तलाश करते हैं जो स्पंज की तरह काम कर सकें, जो हाइड्रोजन गैस की विशाल मात्रा को सोख सकें और जब तक आवश्यकता न हो तब तक उसे मजबूती से थामे रख सकें। इस काम के लिए सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से एक लिथियम बोरोहाइड्राइड नामक रसायन है। अपने शुद्ध रूप में, यह सामग्री बहुत अधिक हाइड्रोजन धारण कर सकती है, लेकिन यह जिद्दी है। इसके कार्गो (माल) को छोड़ने के लिए इसे अत्यधिक उच्च तापमान की आवश्यकता होती है, और एक बार जब यह इसे छोड़ देता है, तो यह अक्सर गैस को वापस लेने से इनकार कर देता है। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इस रसायन को कार्बन के भीतर छोटे, स्पंज जैसे छेदों में फंसाने की कोशिश की, जिसे नैनो-कन्फाइनमेंट (nanoconfinement) नामक तकनीक कहा जाता है। यह विधि हाइड्रोजन को छोड़ने के लिए आवश्यक तापमान को कम करती है और सामग्री को आपस में गुच्छे बनाने से रोकती है, लेकिन इसने अभी तक इस समस्या को हल नहीं किया है कि प्रक्रिया को वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए प्रतिवर्ती (reversible) या पर्याप्त कुशल कैसे बनाया जाए।
अर्जेंटीना के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस जिद्दी सामग्री की पकड़ को ढीला करने के लिए एक अलग दृष्टिकोण अपनाने का निर्णय लिया। उन्होंने परिकल्पना की कि एक तरल अवस्था (liquid phase) को पेश करने से मदद मिल सकती है। विशेष रूप से, उन्होंने दो लवणों (salts) के मिश्रण पर विचार किया, लिथियम क्लोराइड और पोटेशियम क्लोराइड, जो अन्य घटकों की तुलना में अपेक्षाकृत कम तापमान पर तरल में बदल जाता है। विचार यह था कि यदि वे हाइड्रोजन धारण करने वाले रसायन को जोड़ने से पहले अपने कार्बन स्पंज के अंदर इस लवण मिश्रण की परत चढ़ा सकें, तो तरल सामग्री के बीच बेहतर संपर्क बनाने में मदद कर सकता है या प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक तापमान को कम कर सकता है। उन्होंने कार्बन में नमक को प्राप्त करने के दो अलग-अलग तरीकों का परीक्षण किया: या तो सूखे पाउडर को आपस में पीसना, या एक गीली विधि का उपयोग करना जहाँ नमक को एक तरल में घोला गया और कार्बन के छिद्रों में भिगोया गया और फिर तरल को वाष्पित कर दिया गया।
परिणामों ने दिखाया कि तैयारी की विधि का गहरा महत्व था। जब शोधकर्ताओं ने गीली भिगोने वाली तकनीक का उपयोग किया, तो नमक के मिश्रण ने कार्बन स्पंज के सूक्ष्म छिद्रों को सफलतापूर्वक भर दिया। इसके विपरीत, सूखी पीसने वाली विधि ने अधिकांश नमक को कार्बन के टुकड़ों की बाहरी सतह पर ही छोड़ दिया, जिससे वह गहरे आंतरिक भाग तक पहुँचने में विफल रहा। इस स्थान के अंतर का बाद में हाइड्रोजन सामग्री के व्यवहार पर सीधा प्रभाव पड़ा। जब टीम ने लिथियम बोरोहाइड्राइड को इन नमक-लेपित स्पंजों में मिलाया, तो उन्होंने देखा कि गीले-भिगोए गए नमूनों ने हाइड्रोजन सामग्री को छिद्रों को अधिक प्रभावी ढंग से भरने दिया। हालांकि, सूखे-पिसे हुए नमूनों में रुकावट आ गई, जिससे कुछ हाइड्रोजन सामग्री बेकार रूप से सतह पर ही रह गई।
जैसे ही टीम ने हाइड्रोजन को मुक्त करने के लिए सामग्री को गर्म किया, उन्होंने देखा कि प्रतिक्रिया कैसे होती है। गीले-भिगोए गए नमूनों में, हाइड्रोजन सूखे-पिसे हुए नमूनों की तुलना में कम तापमान पर बाहर निकलने लगा, जिससे पता चला कि तरल नमक ने रासायनिक बंधों को जल्दी अस्थिर करने में मदद की। हालांकि, सूखे-पिसे हुए नमूनों को अपना सारा हाइड्रोजन पूरी तरह से छोड़ने के लिए उच्च तापमान की आवश्यकता थी। दिलचस्प बात यह है कि जबकि नमक के मिश्रण ने प्रक्रिया शुरू करने में मदद की, इसने सिस्टम को आसान या प्रतिवर्ती नहीं बनाया। हाइड्रोजन छोड़ने के बाद और जब शोधकर्ताओं ने गैस को वापस सामग्री में डालने की कोशिश की, तो सिस्टम पहले से बेहतर प्रदर्शन नहीं कर सका। नमक प्रतिक्रिया के उपोत्पादों (byproducts) के साथ एक नया, सहायक तरल मिश्रण बनाने में विफल रहा, जैसा कि शोधकर्ताओं ने आशा की थी।
सामग्रियों की भौतिक संरचना भी आश्चर्यजनक तरीकों से बदली। गर्म करने से पहले, नमक ने कार्बन की सतह पर छोटे, घन के आकार के क्रिस्टल बनाए। हाइड्रोजन छोड़ने के बाद, ये घन गायब हो गए और उनकी जगह सुई जैसी संरचनाओं ने ले ली जो मानक उपकरणों के साथ विश्लेषण करने के लिए बहुत पतली थीं। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि नमक ने हाइड्रोजन सामग्री के साथ प्रतिक्रिया की, जिससे एक नया रासायनिक यौगिक बना जिसमें लिथियम और पोटेशियम दोनों शामिल थे। यह नया यौगिक गीले-भिगोए गए नमूनों में दिखाई दिया लेकिन सूखे-पिसे हुए नमूनों में अनुपस्थित था, जिससे पुष्टि हुई कि गीली विधि ने सामग्रियों का अधिक गहन मिश्रण तैयार किया।
अंततः, अध्ययन ने खुलासा किया कि हालांकि एक तरल नमक मिश्रण सामग्री से हाइड्रोजन छोड़ने के तापमान को कम करने में मदद कर सकता है, लेकिन यह इस बड़ी समस्या को हल नहीं करता है कि भंडारण प्रणाली को पुन: प्रयोज्य (reusable) कैसे बनाया जाए। गीली विधि कार्बन छिद्रों के भीतर सामग्रियों को मिलाने के लिए श्रेष्ठ सिद्ध हुई, लेकिन परिणामी सिस्टम हाइड्रोजन को वापस लेने के बाद भी संघर्ष करता रहा। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि तरल-चरण रणनीति प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए कुछ लाभ प्रदान करती है, लेकिन यह अपने आप में पूर्ण समाधान नहीं है। यह कार्य रेखांकित करता है कि केवल मिश्रण में तरल जोड़ना ही पर्याप्त नहीं है; भविष्य के डिजाइनों को संभवतः एक ऐसा तरीका खोजना होगा जिससे प्रतिक्रियात्मक भागों को एक साथ रखा जा सके ताकि वे कई चक्रों में सामंजस्य के साथ काम कर सकें।
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