First principles investigation of water adsorption, dopant segregation and surface thermodynamics of Mg and Sr substituted CaO(001) for Ca(OH)2/CaO thermochemical energy storage
यह अध्ययन डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (density functional theory) का उपयोग यह प्रदर्शित करने के लिए करता है कि जहाँ Mg और Sr डोपेंट्स Ca(OH)₂/CaO थर्मोकेमिकल चक्र के बल्क इक्विलिब्रियम (bulk equilibrium) को न्यूनतम रूप से प्रभावित करते हैं, वहीं CaO(001) सतह पर उनकी रणनीतिक स्थिति जल बंधन ऊर्जा (water binding energy) और ऊष्पतन तापमान (desorption temperatures) को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है, जिसमें सतह पर मौजूद Mg और Sr भंडारण तापमान से स्वतंत्र रूप से जल ग्रहण (water uptake) को ट्यून करने के लिए विशिष्ट तंत्रों के माध्यम से कार्य करते हैं।
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कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ हम दिन के दौरान सूरज की गर्मी को पकड़ सकें और उसे एक ठोस पदार्थ में संचित कर सकें, ताकि बाद में अपने घरों को गर्म करने या कारखानों को शक्ति देने के लिए इसे छोड़ा जा सके। यह थर्मोकेमिकल ऊर्जा भंडारण (thermochemical energy storage) का वादा है, एक ऐसी विधि जो एक ठोस और एक गैस के बीच होने वाली उत्क्रमणीय (reversible) रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर निर्भर करती है। इस काम के लिए सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से एक एक सरल, प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सामग्री है: कैल्शियम ऑक्साइड, जिसे आमतौर पर क्विकलाइम (quicklime) के रूप में जाना जाता है। जब यह सामग्री जलवाष्प (water vapor) के संपर्क में आती है, तो यह कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड में बदल जाती है, एक ऐसी प्रक्रिया जो काफी मात्रा में संचित ऊष्मा को मुक्त करती है। ऊर्जा को वापस पाने के लिए, सामग्री को पानी को दूर धकेलने के लिए गर्म किया जाता है, जिससे वह अपनी मूल अवस्था में वापस आ जाती है। यह चक्र स्वच्छ है और सामग्रियां सस्ती हैं, लेकिन इसमें एक पेंच है। सामग्री द्वारा पानी को सोखने की गति—और इस प्रकार यह कितनी तेज़ी से ऊष्मा प्रदान कर सकती है—पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करती है कि ठोस की सतह पर क्या होता है। यदि सतह सुस्त है, तो पूरा सिस्टम धीमा हो जाता है, विशेष रूप से तब जब तापमान बढ़ता है या भाप का दबाव गिरता है।
शोधकर्ता लंबे समय से जानते हैं कि अन्य तत्वों, जिन्हें डोपेंट्स (dopants) कहा जाता है, की छोटी मात्रा मिलाने से सामग्रियों के व्यवहार को बदला जा सकता है। एक हालिया अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने मैग्नीशियम और स्ट्रोंटियम नामक दो विशिष्ट तत्वों की जांच की, यह देखने के लिए कि क्या वे कैल्शियम ऑक्साइड की सतह को पानी को पकड़ने के लिए अधिक उत्सुक बना सकते हैं। उन्होंने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया ताकि वे परमाणु-दर-परमाणु देख सकें कि कैसे पानी का एक एकल अणु कैल्शियम ऑक्साइड की सतह पर उतरता है और टूट जाता है। लक्ष्य यह समझना था कि क्या ये तत्व ऊर्जा भंडारण चक्र को कुशलतापूर्वक चलाने के लिए आवश्यक तापमान के नाजुक संतुलन को बिगाड़े बिना प्रतिक्रिया को तेज कर सकते हैं।
अध्ययन की शुरुआत कैल्शियम ऑक्साइड की सतह का एक डिजिटल मॉडल बनाकर हुई, जो परमाणुओं का एक ग्रिड के रूप में व्यवस्थित एक सपाट तल है। शोधकर्ताओं ने कैल्शियम ऑक्साइड की सतह पर पानी का एक एकल अणु रखा और देखा कि वह कैसे स्थिर होता है। उन्होंने पाया कि पानी का अणु साबुत नहीं रहता है। इसके बजाय, यह लगभग तुरंत ही टूट जाता है। पानी का एक हिस्सा, एक हाइड्रॉक्सिल समूह (hydroxyl group), सतह पर दो धातु परमाणुओं से जुड़ जाता है, जबकि दूसरा हिस्सा, एक हाइड्रोजन परमाणु, सतह पर मौजूद एक निकटवर्ती ऑक्सीजन परमाणु पर कूद जाता है। यह विभाजित अवस्था सतह पर पानी के अस्तित्व का सबसे स्थिर तरीका है, और यही सामग्री के कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड में बदलने का शुरुआती बिंदु है।
टीम ने अपने मॉडल में कैल्शियम के कुछ परमाणुओं को मैग्नीशियम या स्ट्रोंटियम से बदलकर यह देखा कि इन परिवर्तनों ने पानी को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने पाया कि दोनों तत्वों ने सतह को पानी को अधिक मजबूती से पकड़ने के योग्य बनाया, लेकिन उन्होंने इसे पूरी तरह से अलग तरीकों से किया। मैग्नीशियम, जो कैल्शियम से छोटा है, ने उस हाइड्रोजन परमाणु को स्थिर करके काम किया जो सतह पर कूद गया था। इसने उस विशिष्ट हाइड्रोजन के लिए एक मजबूत चुंबक की तरह काम किया, उसे मजबूती से अपनी जगह पर खींच लिया। स्ट्रोंटियम, जो कैल्शियम से बड़ा है, अलग तरह से काम करता है। इसने हाइड्रॉक्सिल समूह के जुड़ने के लिए एक बेहतर स्थान प्रदान किया, जिससे विभाजित पानी का वह हिस्सा अधिक सहज महसूस करने लगा।
जब शोधकर्ताओं ने एक साथ मैग्नीशियम और स्ट्रोंटियम दोनों का उपयोग करने की कोशिश की, तो उन्हें उम्मीद थी कि दोनों के लाभ जुड़ जाएंगे, जिससे पानी पर पकड़ और भी मजबूत हो जाएगी। हालाँकि, परिणामों ने दिखाया कि दोनों तत्व एक टीम के रूप में काम नहीं करते हैं। क्योंकि दोनों तत्व उसी हाइड्रोजन परमाणु को स्थिर करने की कोशिश कर रहे थे जो सतह पर कूद गया था, उनके प्रयास आपस में ओवरलैप (overlap) हो गए। दोनों से प्राप्त अतिरिक्त शक्ति उनके व्यक्तिगत सामर्थ्य के योग से कम थी। वास्तव में, दोनों में से बड़े प्रभाव ने परिणाम पर प्रभुत्व जमा लिया, जिसका अर्थ है कि दूसरे तत्व को जोड़ने से सतह की प्रतिक्रिया में बहुत कम अतिरिक्त लाभ मिला।
सबसे आश्चर्यजनक खोज शायद यह थी कि ये तत्व वास्तव में सामग्री में कहाँ स्थित होते हैं। कैल्शियम ऑक्साइड के एक ठोस ब्लॉक में, मैग्नीशियम सतह के ठीक नीचे छिपना पसंद करता है, जबकि स्ट्रोंटियम स्वाभाविक रूप से ऊपर तैरता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब पानी मौजूद होता है, तो मैग्नीशियम पानी को पकड़ने में मदद करने के लिए सतह की ओर ऊपर जाने के लिए प्रेरित होता है। हालांकि, यह चाल केवल कम तापमान पर ही होती है। जैसे-जैसे तापमान ऊर्जा भंडारण प्रणाली के परिचालन स्तर की ओर बढ़ता है, मैग्नीशियम वापस सतह के नीचे चला जाता है, जिससे सतह मुख्य रूप से कैल्शियम और स्ट्रोंटियम के लिए छोड़ दी जाती है। स्ट्रोंटियम, दूसरी ओर, पानी या तापमान की परवाह किए बिना वहीं रहता है जहाँ इसकी आवश्यकता होती है।
यह अंतर ऊर्जा भंडारण के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण है। अध्ययन ने दिखाया कि जबकि मैग्नीशियम सतह को पानी को बहुत मजबूती से पकड़ने में सक्षम बना सकता है, यह अविश्वसनीय है क्योंकि यह गर्म होने पर छिपने की प्रवृत्ति रखता है। इसके विपरीत, स्ट्रोंटियम वहीं रहता है जहाँ इसकी आवश्यकता होती है और पानी को पकड़ने की सतह की क्षमता में लगातार सुधार करता है, जिससे वह तापमान काफी बढ़ जाता है जिस पर पानी वाष्पित हो जाता। इसका मतलब है कि स्ट्रोंटियम ऊर्जा भंडारण चक्र के मौलिक तापमान को बदले बिना, हाइड्रेशन प्रक्रिया को तेज़ और अधिक कुशल बना सकता है।
शोधकर्ताओं ने यह अनुमान लगाने का तरीका भी खोजा कि सतह पर बने नए रासायनिक बंधों के कंपन को देखकर पानी कितनी मजबूती से बंधेगा। उन्होंने पाया कि बंध की मजबूती और सतह के नए हाइड्रॉक्सिल समूह के कंपन की आवृत्ति (frequency) के बीच एक सीधा संबंध है। यह सुझाव देता है कि वैज्ञानिक जटिल रासायनिक परीक्षणों के बिना यह परीक्षण करने के लिए कि एक वास्तविक दुनिया की सामग्री कैसा प्रदर्शन कर रही है, इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (infrared spectroscopy) का उपयोग कर सकते हैं, जो इन कंपनों को मापता है।
अंततः, यह अध्ययन प्रकट करता है कि सामग्री की सतह उसके भीतर के 'बल्क' (bulk) पदार्थ से एक अलग दुनिया है। जबकि मैग्नीशियम या स्ट्रोंटियम जोड़ने से ऊर्जा भंडारण चक्र के समग्र तापमान संतुलन में बहुत कम बदलाव आता है, सतह पर उनकी उपस्थिति पानी के साथ सामग्री की परस्पर क्रिया को नाटकीय रूप से बदल सकती है। सही तत्व चुनकर और यह सुनिश्चित करके कि वह सतह पर बना रहे, इंजीनियर प्रतिक्रिया की गति को भंडारण तापमान से लगभग स्वतंत्र रूप से ट्यून (tune) कर सकते हैं। स्ट्रोंटियम इस कार्य के लिए सबसे भरोसेमंद विकल्प के रूप में उभरता है, जो प्रदर्शन में निरंतर सुधार प्रदान करता है जो नवीकरणीय ऊष्मा को कैप्चर करने और उपयोग करने के लिए थर्मोकेमिकल ऊर्जा भंडारण को एक अधिक व्यवहार्य समाधान बनाने में मदद कर सकता है।
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