Yaqinda Hindiston Tamilnand shtatining Kalpakkamidagi Indira Gandhi atom tadqiqot markazida yadro energiyasidan foydalanib vodorod ishlab chiqaruvchi dunyodagi birinchi zavodni ishga tushirdi. Boshqa qurilmalardan farqli oʻlaroq, elektr energiyasiga bogʻliq boʻlmagan yangi kompleks vodorod olish uchun yadro reaktor tomonidan hosil qilinadigan issiqlikdan foydalanadi. Vodorod toza yonuvga ega yoqilgʻi boʻlib, fosil yoqilgʻini almashtirish qobiliyatiga ega. U benzgindan taxminan uch barobar yuqori energiya zichligiga ega va faqat suv bugʻini ajratadi.
Biroq, vodorod tabiiy holatda erkin mavjud emas va suv kabi manbalardan ajratilishi kerak. Butun dunyo olimlari suv molekulasini samarali parchalash va vodorodni ajratish usullarini izlayapti.
Bu yutuq doirasida Hindiston texnologiya instituti (IIT) Bombeydagi tadqiqotchilar yashil vodorod ishlab chiqarishni sezilarli darajada yaxshilashi mumkin boʻlgan yuqori samarali va arzon katalizatorni yaratdilar. Jamoa kobalt, nikel, fosfat va grafitni birlashtirgan yangi materialni ishlab chiqdi, u suvdan samarali ravishda vodorod va kislorod ishlab chiqaradi.
Suv molekulasini parchalashning eng oddiy usullaridan biri elektrolizdir, bunda suv orqali elektr toki oʻtkazilib, u vodorod va kislorodga ajratiladi. Bu jarayon ikkita reaksiyani boshlaydi: katodda vodorod ajralish reaksiyasi (HER), bu gazli vodorod hosil qiladi, va anodda kislorod ajralish reaksiyasi (OER), bu gazli kislorod ishlab chiqaradi. Biroq, bu jarayon katta miqdordagi energiya talab qiladigan sezilarli kinetik toʻsiqlar bilan duch keladi. Ushbu toʻsiqlarni reaksiyalarni tezlashtiradigan, shu bilan birga sarflanmaydigan katalizatorlar yordamida kamaytirish mumkin.
Hozirda bu reaksiyalar uchun oltin standart platin, ruteniym va iridiy kabi qimmatbaho metallardir. Garchi ular juda samarali boʻlsa-da, bu qimmatbaho metallar tanqis, juda qimmat va qattiq ish sharoitlarida vaqt oʻtishi bilan degradatsiyaga moyil.
IIT Bombey tadqiqotchisi va tadqiqotning birinchi muallifi Dr. Savi Chaudhari tushuntiradi: «Asosiy motivatsiya keng tarqalgan elementlardan samarali va chidamli katalizatorni ishlab chiqish edi, bu suvni umumiy parchalash uchun moʻljallangan».
Yangi katalizatorni yaratish uchun tadqiqotchilar molekulyar prekursor muhandisligi usulidan foydalanishdi — bu yuqori aniq moddalar va metallik birikmalarni loyihalashni oʻz ichiga olgan texnika boʻlib, ular murakkabroq materiallar uchun qurilish bloklari yoki prekursorlar vazifasini bajaradi. Dr. Chaudhari soʻzlariga koʻra, «molekulyar prekursor yondashuvi ustunlikka ega, chunki u hosil boʻladigan material tarkibi va bir xilligini aniq nazorat qilish imkonini beradi, shu bilan birga uni nisbatan yumshoq sharoitlarda faol katalizatorga aylantirishni taʼminlaydi».
Avval kobalt va nikel fosfatlarining alohida metallokomplekslari yaratildi. Keyin bu komplekslar eksfoliallangan grafit deb ataladigan atomik jihatdan yupqa uglerod qatlami bilan aralashtirildi va aralashma ehtiyotkorlik bilan qizdirildi. Issiqlik uglerod qismlarini buzganida, kobalt-nikel fosfatining mukammal aralashgan, amorf qatlami qoldiq boʻldi, u oʻtkazuvchi grafen varaqchalari boʻylab bir tekis tarqalgan. Yakuniy natija suvni parchalash reaksiyasining ikkala yarmini ham bir vaqtning oʻzida bajaradigan ikki funksiyali katalizator boʻldi.
IIT Bombey professori va tadqiqotning tegishli muallifi Professor Ramasamy Murugavel taʼkidlaydi: «Kobalt va nikelning kombinatsiyasi HER va OER ikkalasi uchun ham ikki funksiyali faollikni taʼminlaydi, shu bilan birga oʻtkazuvchi grafen asosiy paneli zaryad transportini kuchaytiradi va faol materialning samarali foydalanishiga yordam beradi».
Bu materialning amorf tabiati uning atomlarining kristaldagi kabi tartibli emas, balki tasodifiy joylashganligini anglatadi. Bu uning samaradorligini oshiradi, chunki uning tartibsiz tuzilishi HER va OER uchun ideal joylar boʻlgan katta sirt maydonini yaratadi.
Dr. Chaudhari sharh beradi: «Biz dastlab komplekslarning kristall fosfat materiallarini hosil qilishini kutdik. Buning oʻrniga, ajoyib bir xillikka ega Co-Ni fosfatining amorf fazasi hosil boʻldi. Qiziq tomoni shundaki, amorf aralash metall fosfati va eksfoliallangan grafitning kombinatsiyasi elektro-katalitik faollikni sezilarli darajada oshirdi».
Sinovlar davomida yangi katalizator deyarli samaradorlik pasayishi sezilmay 72 soat davomida uzluksiz ishladi. Biroq, tadqiqotchilar katalizator yuzasi kislorod ishlab chiqarish reaksiyasi paytida struktural transformatsiyadan oʻtganini, baʼzi fosfatni yangi kislorodli metall birikmalarini hosil qilish uchun yoʻqotganini kuzatdilar. Ammo katalizator degradatsiya boʻlmasdan, bu yuzaviy rekonstruksiya aslida uning yuqori faolligini saqlab turishga yordam berdi.
Professor Murugavel taʼkidlaydi: «Yuzaviy rekonstruksiya fosfatga asoslangan katalizatorlarning muhim xususiyatini ochib berdi: katalitik sharoitlarda yuzaning yanada faol oksidohidroksid turlarga rekonstruksiya boʻlishi, shu bilan birga asosiy fosfat tuzilmasi kimyoviy barqarorlik va strukturali butunlikni saqlashga yordam beradi».
Bu ishonchli, arzon katalizatorni ishlab chiqish barqaror energiya kelajagini taʼminlashga yordam berishi mumkin. Qimmatbaho metallarga bogʻliqlikdan voz kechish va arzon, yuqori faol materiallar laboratoriyada loyihalashtirilishi mumkinligini isbotlash bu tadqiqot dunyoni uyimiz, transport vositalarimiz va sanoatimizni quvvatlash uchun arzon, nol chiqindili vodorod yoqilgʻisini ishlab chiqarishga yaqinlashtiradi. Bundan ham muhimi, jamoa katalizatorlarni tayyorlash uchun ishlatilgan jarayon yanada aniqroq materiallarni ishlab chiqarishda muhim yutuq boʻlishi mumkin deb hisoblaydi.
Dr. Chaudhari xulosa qiladi: «Biz bu ishning eng muhim xabarini molekulyar prekursor muhandisligi ilgʻor elektro-katalizatorlarni ishlab chiqish uchun kuchli va universal yoʻl taklif qilishidir deb hisoblaymiz».