हाल ही में भारत ने तमिलनाडु के कल्पक्कम में इंदिरा गांधी परमाणु अनुसंधान केंद्र में परमाणु ऊर्जा का उपयोग करके हाइड्रोजन उत्पादन का दुनिया का पहला संयंत्र शुरू किया। अन्य संयंत्रों के विपरीत जो बिजली पर निर्भर करते हैं, नया परिसर हाइड्रोजन प्राप्त करने के लिए परमाणु रिएक्टर द्वारा उत्पन्न गर्मी का उपयोग करता है। हाइड्रोजन एक स्वच्छ दहन वाला ईंधन है जो जीवाश्म ईंधन को प्रतिस्थापित कर सकता है। इसमें उच्च ऊर्जा घनत्व होता है, जो पेट्रोल से लगभग तीन गुना अधिक होता है, और यह केवल जल वाष्प उत्सर्जित करता है।
हालांकि, हाइड्रोजन प्रकृति में स्वतंत्र रूप से मौजूद नहीं होता है और इसे पानी जैसे स्रोतों से निकाला जाना चाहिए। दुनिया भर के वैज्ञानिक पानी के अणु को तोड़ने और हाइड्रोजन निकालने के प्रभावी तरीके खोज रहे हैं।
इस सफलता के हिस्से के रूप में, भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान (आईआईटी) बॉम्बे के शोधकर्ताओं ने एक अत्यधिक कुशल और सस्ती उत्प्रेरक विकसित की है जो हरित हाइड्रोजन के उत्पादन में काफी सुधार कर सकती है। टीम ने एक नई सामग्री विकसित की है जिसमें कोबाल्ट, निकल, फॉस्फेट और ग्रेफाइट का संयोजन है, जो पानी से कुशलतापूर्वक हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उत्पादन करती है।
पानी के अणु को तोड़ने के सबसे सरल तरीकों में से एक इलेक्ट्रोलाइसिस है, जिसमें पानी से होकर विद्युत धारा प्रवाहित की जाती है ताकि इसे हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित किया जा सके। यह प्रक्रिया दो प्रतिक्रियाएं शुरू करती है: कैथोड पर हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया (HER), जो गैसीय हाइड्रोजन उत्पन्न करती है, और एनोड पर ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (OER), जो गैसीय ऑक्सीजन का उत्पादन करती है। हालांकि, इस प्रक्रिया को महत्वपूर्ण गतिज बाधाओं का सामना करना पड़ता है, जिसके लिए शुरू करने के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इन बाधाओं को उत्प्रेरकों की मदद से कम किया जा सकता है, जो प्रतिक्रियाओं को तेज करते हैं, जबकि खुद खर्च नहीं होते हैं।
इन प्रतिक्रियाओं के लिए वर्तमान में सोने का मानक प्लैटिनम, रूथेनियम और इरिडियम जैसी कीमती धातुएं हैं। हालांकि वे बहुत प्रभावी हैं, ये कीमती धातुएं दुर्लभ, बेहद महंगी हैं और कठोर परिचालन स्थितियों में समय के साथ क्षरण के लिए प्रवण हैं।
डॉ. सवी चौधरी, आईआईटी बॉम्बे के शोधकर्ता और अध्ययन के पहले लेखक, बताते हैं: 'मुख्य प्रेरणा सामान्य जल विभाजन के लिए सामान्य तत्वों से एक कुशल और टिकाऊ उत्प्रेरक विकसित करना था।'
नए उत्प्रेरक के निर्माण के लिए, शोधकर्ताओं ने आणविक प्रीकर्सर इंजीनियरिंग विधि का उपयोग किया - एक ऐसी तकनीक जिसमें उच्च विशिष्ट अणुओं और धात्विक यौगिकों को डिजाइन करना शामिल है जो अधिक जटिल सामग्रियों के लिए बिल्डिंग ब्लॉक या अग्रदूत के रूप में कार्य करते हैं। डॉ. चौधरी के अनुसार, 'आणविक प्रीकर्सर दृष्टिकोण का लाभ यह है कि यह प्राप्त सामग्री की संरचना और समरूपता को सटीक रूप से नियंत्रित करने की अनुमति देता है, साथ ही अपेक्षाकृत सौम्य परिस्थितियों में इसे सक्रिय उत्प्रेरक में परिवर्तित भी करता है।'
सबसे पहले कोबाल्ट और निकल फॉस्फेट के अलग-अलग धातु संकुल बनाए गए थे। फिर इन संकुलों को एक्सफोलिएटेड ग्रेफाइट नामक कार्बन की परमाणु रूप से पतली परतों के साथ मिलाया गया और मिश्रण को धीरे-धीरे गर्म किया गया। जब गर्मी ने धातु संकुलों के कार्बन भागों को नष्ट कर दिया, तो कोबाल्ट-निकल फॉस्फेट की पूरी तरह से मिश्रित, अनाकार परत बची, जो प्रवाहकीय ग्राफीन शीट पर समान रूप से वितरित थी। अंतिम परिणाम एक द्वि-कार्यात्मक उत्प्रेरक था जो पानी के विभाजन प्रतिक्रिया के दोनों हिस्सों को एक साथ पूरा करता है।
प्रोफेसर रामस्वामी मुरूगावेल, आईआईटी बॉम्बे के प्रोफेसर और अध्ययन के सह-लेखक, बताते हैं: 'कोबाल्ट और निकल का संयोजन HER और OER दोनों के लिए द्वि-कार्यात्मक गतिविधि प्रदान करता है, जबकि प्रवाहकीय ग्राफीन सब्सट्रेट आवेश परिवहन को बढ़ाता है और सक्रिय सामग्री के कुशल उपयोग को बढ़ावा देता है।'
इस सामग्री की अनाकार प्रकृति का मतलब है कि इसके परमाणु क्रिस्टल में व्यवस्थित होने के बजाय यादृच्छिक रूप से स्थित होते हैं। यह इसके प्रदर्शन को भी बढ़ाता है, क्योंकि इसकी अव्यवस्थित संरचना एक बड़ा सतह क्षेत्र बनाती है जो HER और OER दोनों को स्थिर करने के लिए आदर्श स्थान के रूप में कार्य करता है।
डॉ. चौधरी टिप्पणी करते हैं: 'हमने शुरू में उम्मीद की थी कि संकुल क्रिस्टलीय फॉस्फेट सामग्री बनाएंगे। इसके बजाय, Co-Ni फॉस्फेट का एक अनाकार चरण बना, जिसमें उत्कृष्ट समरूपता थी। यह दिलचस्प है कि अनाकार मिश्रित धातु फॉस्फेट और एक्सफोलिएटेड ग्रेफाइट का संयोजन इलेक्ट्रोकैटेलिटिक गतिविधि में उल्लेखनीय वृद्धि की ओर ले जाता है।'
परीक्षणों के दौरान, नया उत्प्रेरक लगभग बिना प्रदर्शन में कमी के 72 घंटों तक लगातार चला। हालांकि, शोधकर्ताओं ने देखा कि ऑक्सीजन उत्पादन प्रतिक्रिया के दौरान उत्प्रेरक की सतह में संरचनात्मक परिवर्तन हुआ, जिससे कुछ फॉस्फेट नए ऑक्सीजन युक्त धातु यौगिकों के निर्माण के लिए खो गए। लेकिन उत्प्रेरक को खराब होने के बजाय, इस सतही पुनर्निर्माण ने वास्तव में इसकी उच्च गतिविधि को बनाए रखने में मदद की।
प्रोफेसर मुरूगावेल का तर्क है: 'सतही पुनर्निर्माण फॉस्फेट-आधारित उत्प्रेरकों की एक महत्वपूर्ण विशेषता को उजागर करता है: उत्प्रेरक स्थितियों में सतह अधिक सक्रिय ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड रूपों में पुनर्गठित होती है, जबकि अंतर्निहित फॉस्फेट संरचना रासायनिक स्थिरता और संरचनात्मक अखंडता को बनाए रखने में मदद करती है।'
इस विश्वसनीय, किफायती उत्प्रेरक का विकास एक स्थायी ऊर्जा भविष्य को सुनिश्चित करने में मदद कर सकता है। महंगे कीमती धातुओं पर निर्भरता से इनकार करके और यह साबित करके कि प्रयोगशाला में सस्ते, उच्च सक्रिय सामग्री को डिजाइन किया जा सकता है, यह शोध दुनिया को हमारे घरों, वाहनों और उद्योगों को चलाने के लिए सस्ते, शून्य-उत्सर्जन हाइड्रोजन ईंधन के उत्पादन के करीब लाता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि टीम मानती है कि उत्प्रेरकों के निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली प्रक्रिया अधिक सटीक सामग्रियों के उत्पादन में एक महत्वपूर्ण उपलब्धि हो सकती है।
डॉ. चौधरी निष्कर्ष निकालते हैं: 'हम मानते हैं कि इस काम का सबसे महत्वपूर्ण संदेश यह है कि आणविक प्रीकर्सर इंजीनियरिंग उन्नत इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट विकसित करने के लिए एक शक्तिशाली और सार्वभौमिक मार्ग प्रदान करती है।'
