Efficient oxygen evolution reaction of FeCoNiWx medium entropy alloy film electrodes for water splitting

दुनिया स्वच्छ ऊर्जा के लिए भूखी है, और इसे प्राप्त करने के सबसे आशाजनक तरीकों में से एक बिजली का उपयोग करके पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करना है। यह प्रक्रिया, जिसे 'वॉटर स्प्लिटिंग' (जल विभाजन) कहा जाता है, सौर या पवन ऊर्जा से प्राप्त नवीकरणीय शक्ति को एक ऐसे ईंधन में बदल सकती है जो बिना कार्बन उत्सर्जन के जलता है। हालाँकि, इस प्रक्रिया में एक बड़ी बाधा है: पानी से ऑक्सीजन बनाना धीमा और कठिन है। प्रतिक्रिया को शुरू करने के लिए ऊर्जा के एक महत्वपूर्ण धक्के की आवश्यकता होती है, जिसे 'ओवरपोटेंशियल' (अति-विभव) कहा जाता है। इस तकनीक को व्यावहारिक बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे पदार्थों की आवश्यकता है जो कुशल उत्प्रेरक (कैटालिस्ट) के रूप में कार्य कर सकें, यानी ऊर्जा को बर्बाद किए बिना प्रतिक्रिया को तेज कर सकें। दशकों से, सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने वाले पदार्थ रुथेनियम और इरिडियम जैसी दुर्लभ और महंगी धातुओं से बने होते रहे हैं। आधुनिक विज्ञान की चुनौती एक ऐसे विकल्प को खोजने की है जो सस्ता हो, प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हो, और उतना ही प्रभावी हो, आदर्श रूप से लोहा, कोबाल्ट और निकल जैसी सामान्य धातुओं से बना हो।

बेइहांग यूनिवर्सिटी और सिनयांग नॉर्मल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार की पतली धातु की फिल्म तैयार करके इस समस्या को हल करने की दिशा में एक कदम बढ़ाया है। उन्होंने 'मीडियम एंट्रॉपी अलॉय' (मध्यम एंट्रॉपी मिश्र धातु) नामक सामग्रियों के एक वर्ग पर ध्यान केंद्रित किया, जो कई धातुओं के मिश्रण होते हैं जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए अद्वितीय स्थानीय वातावरण बनाते हैं। जबकि पिछले अध्ययनों में चार या पांच धातुओं को एक साथ मिलाने पर विचार किया गया था, इस टीम ने लोहा, कोबाल्ट और निकल के एक विशिष्ट संयोजन का परीक्षण करने का निर्णय लिया, और फिर सावधानीपूर्वक इसमें चौथा घटक: टंगस्टन जोड़ा। टंगस्टन की मात्रा बदलकर, उनका लक्ष्य उस "स्वीट स्पॉट" (अनुकूल बिंदु) को खोजना था जहाँ सामग्री ऑक्सीजन उत्पन्न करने में सबसे अधिक कुशल हो जाए। परिणाम एक ऐसी फिल्म है जो न केवल अपने पूर्ववर्तियों से बेहतर प्रदर्शन करती है, बल्कि यह भी प्रकट करती है कि कैसे एक एकल तत्व का समावेश प्रतिक्रिया के दौरान इलेक्ट्रॉनों के घूमने और परस्पर क्रिया करने के तरीके को मौलिक रूप से बदल सकता है।

शोधकर्ताओं ने अपनी सामग्रियां 'मैग्नेट्रोन स्पटरिंग' नामक तकनीक का उपयोग करके बनाईं, जिसमें निर्वात (वैक्यूम) में आयनों द्वारा एक लक्ष्य सामग्री पर प्रहार करके उसे एक स्पंज जैसी निकल फोम सबस्ट्रेट पर एक पतली, समान परत के रूप में जमा किया जाता है। उन्होंने लोहा, कोबाल्ट और निकल की एक आधार फिल्म से शुरुआत की, और फिर स्पटरिंग प्रक्रिया में विभिन्न संख्या में टंगस्टन लक्ष्यों को जोड़कर श्रृंखला बनाकर नमूने तैयार किए। इससे उन्हें टंगस्टन की अलग-अलग मात्रा वाली फिल्में बनाने में मदद मिली, जो बिल्कुल शून्य से लेकर बहुत उच्च सांद्रता तक फैली हुई थीं। एक बार फिल्में बन जाने के बाद, उन्होंने उन्हें पोटेशियम हाइड्रोक्साइड के घोल में एक कठोर परीक्षण प्रक्रिया के अधीन किया, जो इन प्रतिक्रियाओं को सुगम बनाने के लिए उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य क्षारीय तरल है। सामग्रियों को स्थिर और माप के लिए तैयार करने के लिए, उन्होंने फिल्मों के माध्यम से कई बार विद्युत धारा प्रवाहित की, एक ऐसी प्रक्रिया जिसने उत्प्रेरक की सतह को पुनर्गठित किया, जिससे वह एक चिकनी फिल्म से बदलकर नैनोकणों से ढकी एक बनावट वाली, फूल जैसी संरचना में बदल गई।

परिणामों ने एक स्पष्ट पैटर्न दिखाया: टंगस्टन की मात्रा अत्यंत महत्वपूर्ण थी। टीम ने एक विशिष्ट गति पर प्रतिक्रिया चलाने के लिए आवश्यक अतिरिक्त वोल्टेज को मापा। बिना टंगस्टन वाले नमूने को अपेक्षाकृत अधिक ऊर्जा के धक्के की आवश्यकता थी। जैसे-जैसे उन्होंने अधिक टंगस्टन मिलाया, आवश्यक ऊर्जा लगातार कम होती गई, और एक विशिष्ट संरचना के साथ अपने निम्नतम बिंदु पर पहुँच गई जहाँ लोहा, कोबाल्ट, निकल और टंगस्टन का अनुपात लगभग एक अनुपात एक : एक : एक : पाँच था। इस इष्टतम नमूने को कार्य करने के लिए केवल 264 मिलीवोल्ट अतिरिक्त वोल्टेज की आवश्यकता थी, जो बिना डोप्ड (बिना मिलावट वाले) संस्करण की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि इस बिंदु के बाद और अधिक टंगस्टन जोड़ने से प्रदर्शन में गिरावट आने लगी, जिससे पता चलता है कि इस तत्व का कितना लाभ हो सकता है, इसकी एक सटीक सीमा है, इससे पहले कि यह सक्रिय स्थलों को अवरुद्ध करने लगे या संरचना को बाधित करने लगे।

यह समझने के लिए कि यह विशिष्ट मिश्रण इतना अच्छा क्यों काम कर रहा था, वैज्ञानिकों ने भौतिक और रासायनिक परिवर्तनों का बारीकी से अध्ययन किया। एक सूक्ष्मदर्शी के नीचे, सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने वाली फिल्म ने एक सतह को प्रकट किया जो छोटे, छिद्रपूर्ण, फूल जैसी संरचनाओं से ढकी हुई थी, जो अन्य नमूनों की तुलना में बहुत छोटी और अधिक संख्या में थीं। इस बढ़े हुए सतही क्षेत्रफल का अर्थ था कि पानी के अणुओं के जुड़ने और प्रतिक्रिया करने के लिए अधिक स्थान उपलब्ध थे। लेकिन भौतिक आकार केवल कहानी का एक हिस्सा था। सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा अवस्थाओं का विश्लेषण करके, टीम ने पाया कि टंगस्टन के परमाणु स्वयं उत्प्रेरक के लिए एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य कर रहे थे। टंगस्टन ने इलेक्ट्रॉनों को लोहे के परमाणुओं से दूर खींचा और उन्हें निकल और कोबाल्ट परमाणुओं की ओर धकेला। इस बदलाव ने लोहे के अत्यधिक सक्रिय रूपों को बनाने में मदद की जो प्रतिक्रिया को चलाने में उत्कृष्ट हैं। इसके अलावा, टंगस्टन की उपस्थिति ने निकल के परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तर को बढ़ा दिया, जिससे वे प्रतिक्रिया के मध्यवर्ती चरणों के साथ अधिक प्रभावी ढंग से जुड़ सके, जिससे पूरी प्रक्रिया तेज हो गई।

अध्ययन ने यह भी पुष्टि की कि ये सुधार केवल क्षणिक प्रभाव नहीं थे। जब शोधकर्ताओं ने लंबे समय तक सर्वोत्तम नमूने का परीक्षण किया, तो इसने दक्षता में लगभग बिना किसी नुकसान के अपना प्रदर्शन बनाए रखा, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह सामग्री वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए पर्याप्त टिकाऊ है। निष्कर्ष बताते हैं कि इन धातु मिश्र धातुओं की संरचना को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वैज्ञानिक उन सामग्रियों को डिजाइन कर सकते हैं जो अक्सर उपयोग किए जाने वाले यादृच्छिक मिश्रणों की तुलना में कहीं अधिक कुशल हैं। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि टंगस्टन का जोड़ केवल एक निष्क्रिय भराव नहीं है, बल्कि एक सक्रिय नियामक है जो उत्प्रेरक के इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य को नया आकार देता है। यह अंतर्दृष्टि अगली पीढ़ी के वॉटर-स्प्लिटिंग उपकरणों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है, जो स्वच्छ हाइड्रोजन ईंधन को कुशलतापूर्वक और किफायती रूप से उत्पादित करने के भविष्य के करीब ले जाती है।