Microstructure-resolved phase-field modelling reveals pore-scale controls and hydrogel design principles for hydrogen hydrate storage

हाइड्रोजन को अक्सर भविष्य के ईंधन के रूप में जाना जाता है, एक स्वच्छ ऊर्जा वाहक जो कार्बन उत्सर्जन के बिना हमारी दुनिया को शक्ति दे सकता है। फिर भी, इसे संग्रहीत करना एक कठिन इंजीनियरिंग पहेली बना हुआ है। क्योंकि हाइड्रोजन बहुत हल्की होती है, इसलिए जब तक इसे बहुत कम आयतन में न दबाया जाए, यह बहुत अधिक स्थान घेरती है। पारंपरिक तरीकों में इसे अत्यधिक दबाव पर भारी स्टील टैंकों में दबाना या अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडे तापमान पर इसे तरल में जमाना शामिल है, जो दोनों ही ऊर्जा-गहन और खर्चीले हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से एक मध्य मार्ग की तलाश कर रहे हैं: एक ऐसा तरीका जिससे हाइड्रोजन अणुओं को एक ठोस संरचना के भीतर सुरक्षित रखा जा सके जो स्थिर, सुरक्षित और संभालने में आसान हो। एक आशाजनक उम्मीदवार 'हाइड्रेट' नामक पदार्थ है। पानी के अणुओं से बने एक पिंजरे की कल्पना करें, जो हाइड्रोजन बॉन्ड द्वारा आपस में जुड़े हुए हैं, जिसमें प्रत्येक पिंजरे के भीतर एक हाइड्रोजन अणु सुरक्षित रूप से बैठा है। सामान्य परिस्थितियों में, ये पिंजरे बिखर जाते हैं, लेकिन यदि आप इसमें एक विशिष्ट रासायनिक सहायक जोड़ते हैं और मध्यम दबाव लागू करते हैं, तो ये पिंजरे स्थिर हो जाते हैं। इससे एक ठोस सामग्री बनती है जो आश्चर्यजनक मात्रा में हाइड्रोजन को धारण करती है।

इस प्रक्रिया को अधिक तेज़ और कुशल बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसे पदार्थ की ओर रुख किया है जो औद्योगिक ईंधन के बजाय रसोई की सामग्री जैसा लगता है: हाइड्रो जेल। हाइड्रो जेल पॉलिमर का एक स्पंज जैसा नेटवर्क है जो बड़ी मात्रा में पानी को थामे रखता है। इस स्पंज को रासायनिक सहायक युक्त घोल में भिगोकर, वैज्ञानिक एक ऐसा वातावरण बना सकते हैं जहाँ साधारण पानी की तुलना में हाइड्रोजन हाइड्रेट अधिक आसानी से बनते हैं। विचार यह है कि स्पंज के सूक्ष्म छिद्र प्रतिक्रिया के लिए एक विशाल सतह क्षेत्र प्रदान करते हैं। हालाँकि, जबकि हम जानते हैं कि हाइड्रो जेल काम करते हैं, हमें पूरी तरह से समझ नहीं है कि हाइड्रोजन स्पंज के सूक्ष्म भूलभुलैया के माध्यम से बढ़ते क्रिस्टल तक पहुँचने के लिए कैसे चलती है। इस ज्ञान के बिना, बेहतर स्पंज डिजाइन करना केवल अनुमान और त्रुटि (trial and error) का मामला है।

हाल ही में एक अध्ययन में, ऑस्ट्रेलिया, सिंगापुर, चीन और थाईलैंड के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाइड्रो जेल के भीतर हाइड्रोजन हाइड्रेट बनते समय उसके सूक्ष्म जगत को देखने के लिए उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने केवल अंतिम परिणाम को नहीं देखा; उन्होंने वास्तविक सूक्ष्मदर्शी छवियों से पुनर्गठित एक विस्तृत डिजिटल मॉडल बनाया और देखा कि यह प्रक्रिया समय के साथ कैसे विकसित होती है। उनका कार्य प्रकट करता है कि हाइड्रेट बनने की गति ऊष्मा या क्रिस्टल निर्माण की प्रारंभिक चिंगारी द्वारा सीमित नहीं होती है, बल्कि इस बात से सीमित होती है कि हाइड्रोजन बढ़ते क्रिस्टल तक पहुँचने के लिए पानी से भरे छिद्रों के माध्यम से कितनी आसानी से यात्रा कर सकता है। जैसे-जैसे क्रिस्टल बढ़ते हैं, वे मार्गों को अवरुद्ध करने लगते हैं, जिससे ताज़ा हाइड्रोजन का पहुँचना कठिन हो जाता है। यह खोज इंजीनियरों को अगली पीढ़ी की हाइड्रोजन भंडारण सामग्री डिजाइन करने के लिए स्पष्ट नियमों का एक सेट प्रदान करती है।

शोधकर्ताओं ने एक वास्तविक 'डिजिटल ट्विन' बनाने से शुरुआत की। उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली छवियों का उपयोग करते हुए, जो एक कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप से ली गई थीं, उन्होंने स्पंज के छिद्रों के सटीक आकार और ठोस धागों का मानचित्र तैयार किया। फिर उन्होंने इस डिजिटल स्थान को एक कंप्यूटर मॉडल के साथ भरा जो एक साथ तीन चीजों को सिम्युलेट कर सकता था: हाइड्रेट क्रिस्टल का विकास, घुली हुई हाइड्रोजन गैस की पानी के माध्यम से गति, और ऊष्मा का प्रवाह। उन्होंने अपने मॉडल को वास्तविक प्रयोगों के विरुद्ध तुलना करके मान्य किया, जहाँ उन्होंने एक भौतिक हाइड्रो जेल नमूने में समय के साथ कितनी हाइड्रोजन खपत हुई, इसका मापन किया। कंप्यूटर मॉडल प्रयोगात्मक डेटा से लगभग पूरी तरह मेल खा गया, जिससे पुष्टि हुई कि इसने जटिल भौतिकी को सटीक रूप से पकड़ लिया है।

एक बार मॉडल विश्वसनीय सिद्ध हो जाने के बाद, टीम ने इस प्रक्रिया को धीमी गति में देखने के लिए इसका उपयोग किया। उन्होंने देखा कि हाइड्रेट निर्माण यादृच्छिक स्थानों पर शुरू होता है जहाँ छोटे क्रिस्टल बीज दिखाई देते हैं। प्रारंभ में, ये क्रिस्टल तेजी से बढ़ते हैं, एक लहर की तरह बाहर की ओर फैलते हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे क्रिस्टल का विस्तार होता है, वे उन्हीं जल मार्गों को अवरुद्ध करने लगते हैं जो हाइड्रोजन ईंधन को उन तक पहुँचाते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि बढ़ते क्रिस्टल के पास हाइड्रोजन की सांद्रता तेजी से गिर जाती है क्योंकि नया हाइड्रेट पदार्थ एक बाधा के रूप में कार्य करता है, जिससे गैस का प्रसार धीमा हो जाता है। यह एक 'बॉटलनेक' (अवरोध) बनाता है: क्रिस्टल बढ़ना चाहते हैं, लेकिन वे ईंधन के लिए भूखे हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि ऊष्मा मुख्य समस्या नहीं थी; तापमान में वृद्धि इतनी कम थी कि उसका प्रक्रिया पर लगभग कोई प्रभाव नहीं पड़ा। इसके बजाय, पूरी प्रणाली इस संघर्ष से नियंत्रित थी कि छिद्रों के माध्यम से हाइड्रोजन के प्रवाह को कैसे बनाए रखा जाए।

इस अवरोध को कैसे ठीक किया जाए, यह समझने के लिए, टीम ने अपने कंप्यूटर मॉडल के भीतर नियंत्रित प्रयोगों की एक श्रृंखला चलाई, जिसमें एक समय में एक विशेषता को बदला गया। सबसे पहले, उन्होंने शुरुआती क्रिस्टल बीजों की संख्या देखी। उन्होंने पाया कि अधिक बीज होने से शुरुआत में हाइड्रेट तेजी से बनता है, लेकिन अंत में संग्रहीत हाइड्रोजन की कुल मात्रा में इससे महत्वपूर्ण वृद्धि नहीं हुई। अतिरिक्त बीजों ने भी उतनी ही जल्दी ईंधन समाप्त कर दिया जितना कि कम बीजों ने किया। इससे पता चला कि केवल अधिक शुरुआती बिंदु जोड़ना बेहतर भंडारण की कुंजी नहीं है।

इसके बाद, उन्होंने स्पंज की संरचना का परीक्षण किया। उन्होंने विभिन्न स्तर की 'कनेक्टिविटी' वाले आभासी स्पंज बनाए, जिसका अर्थ है कि हाइड्रोजन के एक भाग से दूसरे भाग तक जाने के लिए कितने अलग-अलग मार्ग मौजूद हैं। उन्होंने पाया कि अत्यधिक जुड़े हुए नेटवर्क वाले स्पंज, जहाँ गैस के प्रवाह के लिए कई वैकल्पिक मार्ग होते हैं, बहुत बेहतर प्रदर्शन करते हैं। इन सुव्यवस्थित संरचनाओं में, यदि एक मार्ग बढ़ते क्रिस्टल द्वारा अवरुद्ध हो जाता है, तो हाइड्रोजन आसानी से दूसरे रास्ते से घूमकर जा सकता है। इस अतिरेक (redundancy) ने हाइड्रेट को तब भी बढ़ते रहने की अनुमति दी जब छिद्र अवरुद्ध होने लगे।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि शुरुआती क्रिस्टल बीज, उस सतह के कितने करीब थे जहाँ से हाइड्रोजन स्पंज में प्रवेश करता है। उन्होंने पाया कि दूरी बहुत मायने रखती है। जब बीज गैस प्रवेश बिंदुओं से दूर होते हैं, तो हाइड्रोजन को पानी के माध्यम से लंबी दूरी तय करनी पड़ती है, और जब तक वह पहुँचता है, आपूर्ति अक्सर समाप्त हो चुकी होती है। लेकिन जब बीजों को गैस प्रवेश बिंदुओं के करीब रखा गया, तो हाइड्रोजन तेजी से और लगातार उन तक पहुँच सका, जिससे पानी के हाइड्रेट में रूपांतरण की बहुत उच्च कुल मात्रा प्राप्त हुई। अंत में, उन्होंने गैस प्रवेश के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र का परीक्षण किया। अधिक सतह क्षेत्र वाले स्पंजों ने गैस को अंदर आने के लिए अधिक स्थान दिया, जिससे फिर से बेहतर प्रदर्शन हुआ, बशर्ते आंतरिक मार्ग छोटे और जुड़े हुए हों।

ये निष्कर्ष बेहतर हाइड्रो जेल डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं। अध्ययन बताता है कि सबसे प्रभावी भंडारण सामग्रियां वे नहीं हैं जिनमें सबसे अधिक शुरुआती क्रिस्टल हैं, बल्कि वे हैं जिनमें छिद्रों का एक अत्यधिक परस्पर जुड़ा हुआ नेटवर्क है जो हाइड्रोजन के प्रवाह को बनाए रखता है। आदर्श डिजाइन में एक ऐसा स्पंज होना चाहिए जहाँ गैस प्रवेश के मार्ग छोटे और सीधे हों, और जहाँ गैस के यात्रा करने के लिए कई वैकल्पिक मार्ग हों, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि स्पंज का कोई भी हिस्सा उसके ईंधन की आपूर्ति से कट न जाए। इन सिद्धांतों का पालन करके, इंजीनियर अनुमान लगाने से आगे बढ़कर ऐसी सामग्रियां बनाना शुरू कर सकते हैं जो हाइड्रेट विकास की विशिष्ट भौतिकी के लिए अनुकूलित हों।

यह कार्य व्यावहारिक हाइड्रोजन भंडारण की खोज में एक महत्वपूर्ण कदम है। थोक माप (bulk measurements) से सूक्ष्म, छिद्र-दर-छिद्र समझ की ओर बढ़कर, शोधकर्ताओं ने उन विशिष्ट भौतिक बाधाओं की पहचान की है जो प्रदर्शन को सीमित करती हैं। उन्होंने दिखाया है कि उच्च भंडारण क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी सामग्री की वास्तुकला में निहित है। हालांकि यह अध्ययन कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके किया गया था, लेकिन इसके निष्कर्ष वास्तविक प्रयोगात्मक डेटा और भौतिक नियमों पर आधारित हैं। परिणाम डिजाइन के नियमों का एक सेट है जो ऐसे हाइड्रो जेल के निर्माण में मार्गदर्शन कर सकते हैं जो हाइड्रोजन को अधिक कुशलता से संग्रहीत करने में सक्षम हों, जिससे हम स्वच्छ ऊर्जा को सुरक्षित और प्रभावी ढंग से संग्रहीत करने वाले भविष्य के करीब पहुँच सकें।