Iridium-Ruthenium Oxide for the Oxygen Evolution Reaction: Correlation between Calcination Temperature–Morphology–Activity Interplay
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कैल्सीनेशन तापमान IrRuOx उत्प्रेरकों की आकृति विज्ञान (morphology), क्रिस्टलीयता और सतही प्रजातियों को महत्वपूर्ण रूप से नियंत्रित करता है, जो यह प्रकट करता है कि जहाँ 350°C पर संश्लेषित अक्रिस्टलीय (amorphous) चरण बेहतर स्थिरता प्रदान करता है, वहीं 500°C पर निर्मित क्रिस्टलीय चरण विशिष्ट फलक समाप्ति (facet termination) और इष्टतम कण आकार के कारण उच्चतम ऑक्सीजन विकास अभिक्रिया (oxygen evolution reaction) गतिविधि प्रदर्शित करता है।
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पानी से स्वच्छ ईंधन बनाना भविष्य को शक्ति देने के सबसे आशाजनक तरीकों में से एक है, लेकिन इस प्रक्रिया को एक जिद्दी बाधा का सामना करना पड़ता है। पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करने के लिए, बिजली को 'ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन' नामक एक कठिन रासायनिक प्रतिक्रिया को धकेलना पड़ता है। यह चरण धीमा और ऊर्जा-खपत वाला है, जो एक भारी द्वार की तरह काम करता है जो पूरी प्रणाली को धीमा कर देता है। इस प्रक्रिया को कुशलतापूर्वक चलते रहने के लिए, वैज्ञानिक चीजों को तेज करने के लिए उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) नामक विशेष सामग्रियों का उपयोग करते हैं। हालांकि कुछ उत्प्रेरक अच्छी तरह से काम करते हैं, वे अक्सर औद्योगिक ईंधन उत्पादन के लिए आवश्यक कठोर अम्लीय वातावरण में जल्दी से घुल जाते या टूट जाते हैं। एक ऐसी सामग्री खोजना जो तेज़ भी हो और लंबे समय तक चलने वाली भी, उन शोधकर्ताओं के लिए केंद्रीय चुनौती है जो ग्रीन हाइड्रोजन को वास्तविकता बनाने की कोशिश कर रहे हैं।
नेल्सन मंडेला विश्वविद्यालय, दक्षिण अफ्रीका के शोधकर्ताओं के एक दल ने इस समस्या को हल करने के लिए इरिडियम और रूथेनियम ऑक्साइड के एक विशिष्ट मिश्रण की जांच की है। वे यह समझना चाहते थे कि इन सामग्रियों को बनाने का तरीका—विशेष रूप से, निर्माण के दौरान उन्हें कितना गर्म किया जाता है—उनके आकार और उनके प्रदर्शन को कैसे बदलता है। तापमान को समायोजित करके, वे यह नियंत्रित कर सकते थे कि सामग्री एक अव्यवस्थित, एमोर्फस (अनाकार) संरचना बनी रहती है या एक अधिक व्यवस्थित, क्रिस्टलीय संरचना में परिवर्तित हो जाती है। लक्ष्य एक ऐसी सामग्री के बीच सही संतुलन बनाना था जो तेजी से काम करती हो और एक ऐसी जो समय के साथ बरकरार रहे।
वैज्ञानिकों ने 'एडम्स फ्यूजन' नामक एक विधि का उपयोग करके अपने उत्प्रेरकों का निर्माण किया, जिसमें धातु लवणों को एक सामान्य नमक के साथ मिलाना और मिश्रण को तब तक गर्म करना शामिल है जब तक कि वह एक ठोस में विलीन न हो जाए। फिर उन्होंने इस ठोस को पांच अलग-अलग तापमानों पर पुन: गर्म किया, जो 350 डिग्री सेल्सियस से लेकर 520 डिग्री सेल्सियस तक की सीमा में था। प्रत्येक हीटिंग स्टेप के बाद, उन्होंने सूक्ष्म कणों के आंतरिक ढांचे और कणों के आकार में आए बदलावों को देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे मशीनों का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि कम तापमान से बनी सामग्री कुछ हद तक अव्यवस्थित और छोटे छिद्रों से भरी थी, जबकि उच्च तापमान ने कणों को बड़ा कर दिया और उन्हें अधिक स्पष्ट, छड़ जैसी आकृतियों और स्पष्ट आंतरिक संरचनाओं में व्यवस्थित कर दिया।
जब उन्होंने एक अम्लीय तरल में ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन को चलाने के लिए इन सामग्रियों का परीक्षण किया, तो परिणामों ने एक स्पष्ट समझौता (ट्रेड-ऑफ) दिखाया। 500 डिग्री सेल्सियस पर बेक किया गया उत्प्रेरक सबसे अधिक सक्रिय सिद्ध हुआ। इसे प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए सबसे कम अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता थी और यह उच्च धारा (करंट) को बनाए रख सकता था। इस सामग्री में लगभग 22 नैनोमीटर आकार के कण थे और इसमें एक विशाल सतह क्षेत्र था, जो प्रतिक्रिया के लिए कई स्थान प्रदान करता था। हालांकि, इस उच्च प्रदर्शन की एक कीमत थी। जब शोधकर्ताओं ने स्थायित्व की जांच के लिए पूरे एक दिन तक परीक्षण चलाया, तो इसी उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्री ने अन्य सामग्रियों की तुलना में तेजी से अपनी प्रभावशीलता खोनी शुरू कर दी।
इसके विपरीत, 350 डिग्री सेल्सियस के सबसे निचले तापमान पर बेक किए गए उत्प्रेरक का व्यवहार अलग था। यह शुरुआत में कम सक्रिय था, जिसे प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता थी, लेकिन इसने समय के साथ उल्लेखनीय रूप से अच्छा प्रदर्शन किया। जब इसे लंबे समय तक चलने वाले परीक्षण के अधीन किया गया, तो इसने बहुत कम गिरावट के साथ अपने प्रदर्शन को बनाए रखा। शोधकर्ताओं ने देखा कि 450 डिग्री जैसे मध्यवर्ती तापमान पर बेक की गई सामग्रियां मिश्रित गुणों के साथ व्यवहार करती थीं, लेकिन अक्सर गैस के बुलबुलों के उनके छिद्रों में फंस जाने जैसी समस्याओं से जूझती थीं, जो प्रतिक्रिया को बाधित करते थे। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि कोई एक आदर्श तापमान नहीं है जो गति और दीर्घायु दोनों को अधिकतम करता है। इसके बजाय, सबसे अच्छा दृष्टिकोण विशिष्ट अनुप्रयोग की जरूरतों पर निर्भर करता है: यदि प्राथमिकता कच्ची गति है, तो उच्च तापमान बेहतर है, लेकिन यदि प्राथमिकता बिना टूटे लंबे समय तक चलना है, तो निम्न तापमान बेहतर विकल्प है।
यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि एक उत्प्रेरक के निर्माण का इतिहास उसके रासायनिक मेकअप जितना ही महत्वपूर्ण है। तापमान बदलने के सरल कार्य ने सामग्री के भौतिक आकार और उसके आंतरिक क्रम को बदल दिया, जिसने बदले में यह निर्धारित किया कि वह पानी और बिजली के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। निष्कर्ष बताते हैं कि ग्रीन हाइड्रोजन उत्पादन के लिए सिस्टम डिजाइन करने वाले इंजीनियरों को उच्च प्रदर्शन और स्थायित्व की आवश्यकता के बीच सावधानीपूर्वक संतुलन बनाना चाहिए। हीट ट्रीटमेंट को ट्यून करके, वे सामग्री को अपने सिस्टम की विशिष्ट मांगों के अनुरूप ढाल सकते हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि उत्प्रेरक केवल एक क्षण के लिए ही अच्छा काम न करे, बल्कि लंबे समय तक विश्वसनीय रूप से काम करता रहे।
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