Amorphous Ce0.5Fe0.5O1.75/NIO electrocatalyst synthesized by hydrothermal method and wet impregnation for enhanced oxygen evolution reaction
यह अध्ययन निकल फोम पर हाइड्रोथर्मली संश्लेषित अमोर्फस Ce0.5Fe0.5O1.75/NiO हेटरोस्ट्रक्चर की रिपोर्ट करता है जो मध्यवर्ती अधिशोषण और इलेक्ट्रॉन परिवहन को अनुकूलित करने के लिए d–f कक्षक युग्मन (d–f orbital coupling) और इंटरफेशियल चार्ज पुनर्वितरण का लाभ उठाकर क्षारीय ताजे पानी में असाधारण ऑक्सीजन विकास अभिक्रिया प्रदर्शन और स्थायित्व प्रदर्शित करता है।
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दुनिया अपने भविष्य को ऊर्जा देने के लिए एक ऐसे तरीके की तलाश कर रही है जिससे ग्रह को जलाना न पड़े। सबसे आशाजनक समाधानों में से एक हाइड्रोजन है, जो एक स्वच्छ ईंधन है जिसे बिजली का उपयोग करके पानी के अणुओं को अलग करके बनाया जा सकता है। यह प्रक्रिया, जिसे वॉटर इलेक्ट्रोलिसिस (जल इलेक्ट्रोलिसिस) कहा जाता है, कुशल है और पवन तथा सौर ऊर्जा जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के साथ अच्छी तरह से काम करती है। हालाँकि, वह अभिक्रिया जो पानी से ऑक्सीजन को बाहर निकालती है, कुख्यात रूप से धीमी और तेज करना कठिन है। यह रासायनिक प्रक्रिया में एक ट्रैफिक जाम की तरह कार्य करती है, जिसे शुरू करने के लिए बहुत अधिक अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक विशेष सामग्रियां डिजाइन करते हैं जिन्हें इलेक्ट्रोकैटलिस्ट (विद्युत उत्प्रेरक) कहा जाता है, जो इलेक्ट्रोडों पर बैठते हैं और इस अभिक्रिया को तेजी से और कम बर्बाद ऊर्जा के साथ होने में मदद करते हैं। लक्ष्य एक ऐसी सामग्री खोजना है जो सस्ती, मजबूत और इस काम में अविश्वसनीय रूप से प्रभावी हो, ताकि हरित हाइड्रोजन का निर्माण बड़े पैमाने पर उद्योग के लिए एक व्यावहारिक वास्तविकता बन सके।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार का उत्प्रेरक बनाया है जो दो विशिष्ट धातुओं, सीरियम और आयरन (लोहा), को एक अद्वितीय, गैर-क्रिस्टलीय संरचना में मिलाकर इस समस्या का समाधान करता है। उन्होंने इस सामग्री को सीधे एक छिद्रपूर्ण धातु फोम पर बनाया, जो इस अभिक्रिया के लिए एक मजबूत कंकाल के रूप में कार्य करता है। टीम ने एक उच्च-दबाव वाली जल प्रक्रिया का उपयोग करके फोम पर सीरियम ऑक्साइड की एक परत उगाकर शुरुआत की, फिर भिगोने की तकनीक का उपयोग करके मिश्रण में आयरन मिलाया। अंत में, उन्होंने सामग्री को तेजी से गर्म किया और फिर ठंडा किया, एक ऐसा कदम जिसने परमाणुओं को एक कठोर, व्यवस्थित पैटर्न में बसने से रोका। परिणाम एक नरम, अमोर्फस (अक्रिस्टलीय) कोटिंग थी जो धातु की सतह को ढकने वाली छोटी, ओवरलैपिंग मछली की स्केल्स (शल्कों) की तरह दिखती है। यह विशिष्ट व्यवस्था, जहाँ परमाणु एक क्रिस्टल ग्रिड में लॉक होने के बजाय अव्यवस्थित होते हैं, इसके उच्च प्रदर्शन की कुंजी साबित हुई।
जब एक बुनियादी क्षारीय घोल में परीक्षण किया गया, तो यह नया उत्प्रेरक ऑक्सीजन पैदा करने वाली अभिक्रिया को चलाने में उल्लेखनीय रूप से कुशल साबित हुआ। अभिक्रिया को 100 मिलीएम्पियर प्रति वर्ग सेंटीमीटर की उच्च गति तक धकेलने के लिए, सामग्री को केवल 309 मिलीवोल्ट के अतिरिक्त ऊर्जा के धक्के, जिसे ओवरपोटेंशियल कहा जाता है, की आवश्यकता थी। यह रुथेनियम डाइऑक्साइड जैसी मानक वाणिज्यिक सामग्रियों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है, जिन्हें समान परिणाम प्राप्त करने के लिए 376 मिलीवोल्ट के उच्च धक्के की आवश्यकता थी। नया उत्प्रेरक समय के साथ भी टिका रहा, जो अपनी कार्यक्षमता खोए बिना 200 घंटों से अधिक समय तक निरंतर चलता रहा। इसके विपरीत, शुरुआती सामग्रियां या उत्प्रेरक के सरल संस्करण स्पष्ट रूप से खराब प्रदर्शन करते हैं, जिससे पता चलता है कि इस अव्यवस्थित अवस्था में सीरियम और आयरन का विशिष्ट संयोजन इसकी सफलता के लिए आवश्यक था।
इस दक्षता के पीछे का रहस्य यह है कि परमाणु आपस में कैसे संवाद करते हैं। अधिकांश धातुओं में, अभिक्रिया को चलाने वाले इलेक्ट्रॉन विशिष्ट ऑर्बिटल्स में रहते हैं जो कुछ हद तक अलग-थलग होते हैं। इस नई सामग्री में, सीरियम परमाणु एक अलग प्रकार का ऑर्बिटल पेश करते हैं जो आयरन के परमाणुओं के साथ मजबूती से परस्पर क्रिया करता है। यह परस्पर क्रिया एक प्रकार का इलेक्ट्रॉनिक ब्रिज (इलेक्ट्रॉनिक सेतु) बनाती है जो इलेक्ट्रॉनों को अधिक स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति देती है और अभिक्रिया के दौरान सामग्री ऑक्सीजन के परमाणुओं को कैसे पकड़ती है, इसे बदल देती है। सामान्य चरण-दर-चरण प्रक्रिया के बजाय, जहाँ पानी के अणु सतह से चिपकते हैं और फिर ऑक्सीजन छोड़ते हैं, यह उत्प्रेरक इस बात की अनुमति देता है कि इसकी अपनी संरचना के भीतर मौजूद ऑक्सीजन परमाणु सीधे भाग लें। यह आंतरिक ऑक्सीजन पथ बहुत तेज़ है और उन बाधाओं से बचता है जो अन्य उत्प्रेरकों को धीमा कर देती हैं। सामग्री की अव्यवस्थित प्रकृति का अर्थ यह भी है कि इसमें कई अधिक उजागर स्थान हैं जहाँ अभिक्रिया हो सकती है, और उत्प्रेरक तथा धातु फोम के बीच का इंटरफेस इलेक्ट्रॉनों को बहुत कम प्रतिरोध के साथ तेजी से कूदने में मदद करता है।
आयरन की मात्रा को सावधानीपूर्वक ट्यून करके और संरचना को अमोर्फस बनाए रखने के लिए तीव्र कूलिंग प्रक्रिया का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री बनाई है जो अभिक्रिया के मध्यवर्ती (इंटरमीडिएट्स) के बंधन को पूरी तरह से संतुलित करती है। यह उन्हें प्रतिक्रिया करने के लिए पर्याप्त पकड़ कर रखती है, लेकिन इतना कसकर नहीं कि वे फंस जाएं। यह संतुलन अभिक्रिया को लगभग पूर्ण ऊर्जा दक्षता के साथ आगे बढ़ने की अनुमति देता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह दृष्टिकोण, जो एक सरल निर्माण पद्धति को एक चतुर इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन के साथ जोड़ता है, हाइड्रोजन उत्पादन को अधिक किफायती और स्केलेबल बनाने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है। यह सामग्री दुर्लभ या महंगी धातुओं पर निर्भर नहीं है, और लंबे समय तक टिके रहने की इसकी क्षमता बताती है कि यह औद्योगिक उपयोग की कठोर परिस्थितियों का सामना कर सकती है, जिससे व्यापक हरित हाइड्रोजन का सपना वास्तविकता के एक कदम करीब पहुँच गया है।
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