Investi̇gati̇on of Radi̇ati̇on-Induced Heterogeneous Processes İn the Nax + H₂o System by Electron Paramagneti̇c Resonance Spectroscopy

पानी हर जगह है, फिर भी इसे इसके मौलिक भागों—हाइड्रोजन और ऑक्सीजन—में विभाजित करने के लिए ऊर्जा के एक महत्वपूर्ण धक्के की आवश्यकता होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से हाइड्रोजन प्राप्त करने के लिए इन बंधों को तोड़ने के कुशल तरीके खोज रहे हैं, जो एक स्वच्छ ईंधन है जो कार्बन उत्सर्जन पैदा किए बिना जलता है। एक आशाजनक मार्ग विकिरण का उपयोग करना है, वही उच्च-ऊर्जा कण जो परमाणु रिएक्टरों को शक्ति प्रदान करते हैं, ताकि इस रासायनिक पृथक्करण को संचालित किया जा सके। हालाँकि, यह प्रक्रिया पानी पर प्रकाश डालने जितनी सरल नहीं है। जब विकिरण किसी पदार्थ से टकराता है, तो यह नन्हे, आवेशित कणों और रेडिकल्स नामक अस्थिर टुकड़ों का एक अराजक विस्फोट पैदा करता है। एक शुद्ध तरल में, ये टुकड़े एक तरह से व्यवहार करते हैं, लेकिन जब पानी एक ठोस पदार्थ के भीतर सूक्ष्म, छिद्रपूर्ण सुरंगों में फंसा होता है, तो नियम बदल जाते हैं। ठोस सतह इन ऊर्जावान टुकड़ों को पकड़ सकती है, उनके पथ को बदल सकती है, और संभावित रूप से उन्हें उपयोगी ईंधन बनाने की ओर निर्देशित कर सकती है। ठोस के भीतर यह वास्तव में कैसे होता है, इसे समझना विकिरण का उपयोग करके हाइड्रोजन उत्पादन के लिए बेहतर प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है।

शोधकर्ता तेयमुर अगयेव और फेथुल्ला चिकेक ने NaX ज़ियोलाइट के रूप में जानी जाने वाली एक विशिष्ट प्रकार की छिद्रपूर्ण सामग्री के भीतर इस छिपे हुए परिदृश्य का मानचित्रण करने का लक्ष्य रखा। यह सामग्री सिलिकॉन, एल्युमीनियम और ऑक्सीजन से बनी एक क्रिस्टलीय ठोस है, जिसकी संरचना एक सूक्ष्म स्पंज की तरह है जिसमें अनगिनत छोटी कोठरियां हैं। टीम ने इस शुष्क ज़ियोलाइट को पानी की विभिन्न मात्राओं के साथ मिलाया और फिर इस मिश्रण पर गामा किरणों (एक प्रकार का उच्च-ऊर्जा विकिरण) की बमबारी की। क्रिस्टल की अदृश्य दुनिया के भीतर क्या हुआ, यह देखने के लिए उन्होंने इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक रेजोनेंस नामक एक विशेष तकनीक का उपयोग किया। इस पद्धति को एक अत्यधिक संवेदनशील माइक्रोफोन के रूप में समझें जो उन अस्थिर, बिना जोड़े वाले इलेक्ट्रॉनों और परमाणुओं की मंद चुंबकीय "गूंज" को सुन सकता है जिन्हें विकिरण द्वारा अलग कर दिया गया है। इन संकेतों को अत्यंत ठंडे तापमान पर सुनकर, वैज्ञानिक पहचान सके कि कौन से कण बने, वे कहाँ फंस गए, और ज़ियोलाइट के छिद्रों के भीतर फंसे पानी के अणुओं के साथ उनकी क्या अंतःक्रिया हुई।

अध्ययन ने विकिरण से निकलने वाली ऊर्जा के लिए एक स्पष्ट और सीधा मुकाबला दिखाया। जब ज़ियोलाइट पूरी तरह से सूखा था, तो विकिरण ने "होल सेंटर्स" (hole centers) बनाए, जो अनिवार्य रूप से क्रिस्टल संरचना में खाली स्थान हैं जहाँ एक इलेक्ट्रॉन पहले हुआ करता था। ये छेद ठोस में फंसे रहे। हालाँकि, जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने अधिक पानी मिलाया, व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। पानी के अणु इन ऊर्जावान छेदों के लिए एक चुंबक की तरह काम करते थे। क्रिस्टल में रहने के बजाय, छेद पानी की ओर झपट पड़े, जिससे पानी के अणुओं के टूटने से वे टूट गए। इस अंतःक्रिया ने दो नए प्रकार के टुकड़े उत्पन्न किए: हाइड्रोजन परमाणु और हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स। जितना अधिक पानी मौजूद था, उतने ही कम छेद ठोस में फंसे रहे, और उतने ही अधिक हाइड्रोजन और हाइड्रॉक्सिल टुकड़े दिखाई दिए। इसने पुष्टि की कि पानी सक्रिय रूप से प्रतिक्रिया में भाग ले रहा था, ठोस संरचना से अपनी ऊर्जा चुराकर अपने स्वयं के बंधों को तोड़ रहा था।

शोधकर्ताओं ने फिर इन टुकड़ों के व्यवहार को तापमान में बदलाव के साथ ट्रैक किया। 77 केल्विन के जमा देने वाले ठंडे तापमान पर, टूटे हुए पानी के अणुओं द्वारा बनाए गए हाइड्रोजन परमाणु स्थिर थे और उन्हें पहचाना जा सकता था। जैसे ही टीम ने नमूनों को कमरे के तापमान तक गर्म किया, ये हाइड्रोजन परमाणु हिलने लगे। या तो वे आणविक हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए आपस में पुनर्संयोजित होने लगे, या उन्होंने हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स के साथ प्रतिक्रिया करके पानी को पुनर्गठित किया। उत्पादित गैस को मापकर, टीम ने पाया कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, हाइड्रोजन गैस की मात्रा में उल्लेखनीय वृद्धि हुई। उन्होंने गणना की कि विकिरण के शामिल होने पर इस प्रतिक्रिया को होने के लिए आवश्यक ऊर्जा अवरोध (activation energy) केवल ऊष्मा के उपयोग की तुलना में बहुत कम था। विशेष रूप से, विकिरण-सहायता प्राप्त प्रक्रिया के लिए 38.5 किलोजूल प्रति मोल की सक्रियण ऊर्जा की आवश्यकता थी, जबकि केवल ऊष्मा वाली प्रक्रिया के लिए 59.2 किलोजूल प्रति मोल की आवश्यकता थी। यह अंतर बताता है कि विकिरण एक शॉर्टकट बनाता है, जिससे प्रतिक्रिया केवल ऊष्मा के माध्यम से होने की तुलना में अधिक आसानी से आगे बढ़ती है।

डेटा से जो अंतिम चित्र उभर कर आया वह घटनाओं का एक क्रम है जहाँ विकिरण पहले ज़ियोलाइट में ऊर्जावान कण बनाता है, जो फिर अपने फंसे हुए पानी को तोड़ने के लिए अपनी ऊर्जा स्थानांतरित करता है, जिससे पानी रेडिकल्स में टूट जाता है। ये रेडिकल्स अंततः हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए पुनर्संयोजित होते हैं। अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि पानी की मात्रा इस प्रक्रिया को नियंत्रित करने वाला प्रमुख कारक है; बहुत कम पानी, तो ऊर्जा ठोस में फंसी रहती है; पर्याप्त पानी, तो ऊर्जा पानी के अणुओं को विभाजित करने के लिए कुशलतापूर्वक उपयोग की जाती है। लेखक प्रस्ताव देते हैं कि NaX ज़ियोलाइट एक प्रभावी उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, जो एक सीमित वातावरण प्रदान करता है जहाँ ये विकिरण-प्रेरित प्रतिक्रियाएं अधिक कुशलता से हो सकती हैं। यह कार्य हाइड्रोजन उत्पादन की समस्या को हल करने का दावा नहीं करता है, बल्कि यह चल रही रासायनिक यांत्रिकी की एक स्पष्ट, चरण-दर-चरण समझ प्रदान करता है। यह दिखाते हुए कि कैसे विकिरण और एक ठोस उत्प्रेरक मिलकर पानी को विभाजित करने की ऊर्जा लागत को कम करने के लिए मिलकर काम करते हैं, यह अध्ययन भविष्य की तकनीकों को विकसित करने के लिए एक वैज्ञानिक आधार प्रदान करता है जो स्वच्छ ईंधन का उत्पादन करने के लिए विकिरण का लाभ उठा सकें।