चित्र: धातु-मुक्त दाता-स्वीकर्ता आधारित सहसंयोजक कार्बनिक ढांचे द्वारा पीजोकैटेलिटिक जल विभाजन को दर्शाने वाला योजनाबद्ध।
शोधकर्ताओं ने यांत्रिक ऊर्जा का उपयोग करके H2 के कुशल उत्पादन के लिए एक नवीन, लागत प्रभावी, धातु रहित छिद्रयुक्त कार्बनिक उत्प्रेरक विकसित किया है।
ग्लोबल वार्मिंग और जीवाश्म ईंधन के संबंधित प्रभाव को कम करने के लिए, अक्षय ऊर्जा पर आधारित संधारणीय विकल्पों की ओर संक्रमण तेजी से महत्वपूर्ण होता जा रहा है। ग्रीन हाइड्रोजन (H₂) ईंधन एक गेम-चेंजिंग अक्षय और स्वच्छ-जलने वाले ऊर्जा स्रोत के रूप में उभरा है, जो ईंधन कोशिकाओं में उपयोग किए जाने पर कोई प्रत्यक्ष कार्बन उत्सर्जन नहीं करता है और केवल उप-उत्पाद के रूप में पानी उत्पन्न करता है। संधारणीय ऊर्जा में ग्रीन H2 की महत्वपूर्ण भूमिका को पहचानते हुए , भारत सरकार ने बड़े पैमाने पर उत्पादन को बढ़ावा देने, अनुसंधान और नवाचार को बढ़ावा देने और देश को H2 अर्थव्यवस्था में वैश्विक नेता के रूप में स्थापित करने के लिए राष्ट्रीय हरित हाइड्रोजन मिशन शुरू किया।
H2 उत्पादन के पर्यावरण के अनुकूल तरीकों में से , समग्र जल विभाजन एक प्रभावी और स्केलेबल तकनीक के रूप में सामने आता है जो उत्प्रेरक रणनीति पर निर्भर करता है क्योंकि प्रतिक्रिया ऊर्जावान रूप से कठिन होती है। पीजोकैटेलिसिस एक आशाजनक उत्प्रेरक तकनीक के रूप में उभरा है जो एक पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के साथ यांत्रिक गड़बड़ी को इकट्ठा करता है ताकि चार्ज वाहक उत्पन्न हो सकें जिनका उपयोग जल विभाजन को उत्प्रेरित करने के लिए किया जाता है।
हाल ही में हुए अभूतपूर्व शोध कार्य में, जवाहरलाल नेहरू उन्नत वैज्ञानिक अनुसंधान केंद्र (जेएनसीएएसआर) बेंगलुरु (विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग, भारत सरकार के तहत एक स्वायत्त संस्थान) में सामग्री इकाई के रसायन विज्ञान और भौतिकी के प्रोफेसर तपस के माजी और उनकी शोध टीम ने पीजोकैटेलिटिक जल विभाजन के लिए एक धातु मुक्त दाता-स्वीकर्ता आधारित सहसंयोजक-कार्बनिक ढांचा (सीओएफ) विकसित किया है। एडवांस्ड फंक्शनल मैटेरियल्स में प्रकाशित यह अध्ययन कार्बनिक दाता अणु ट्रिस (4-एमिनोफेनिल) अमीन (टीएपीए) और स्वीकर्ता अणु पाइरोमेलिटिक डायएनहाइड्राइड (पीडीए) स्वीकर्ता के बीच इमाइड लिंकेज से निर्मित एक सहसंयोजक कार्बनिक ढांचा (सीओएफ) प्रदर्शित करता है, जो अद्वितीय फेरिइलेक्ट्रिक (एफआईई) ऑर्डरिंग प्रदर्शित करता
यह खोज जल विभाजन प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करने के लिए केवल भारी या संक्रमण धातु-आधारित फेरोइलेक्ट्रिक (FE) सामग्रियों को पाईज़ोकैटेलिस्ट के रूप में उपयोग करने की पारंपरिक धारणा को तोड़ती है। पारंपरिक FE सामग्रियों में सीमित आवेश होते हैं जो केवल सतह पर सीमित होते हैं जो आमतौर पर उनकी पाईज़ोकैटेलिटिक गतिविधि की त्वरित संतृप्ति की ओर ले जाते हैं। इसके विपरीत, COF में FiE क्रम बड़े स्थानीय विद्युत क्षेत्रों के कारण छिद्र सतहों पर आवेशों की कई गुना बढ़ी हुई संख्या प्रदान करता है। COF की स्पंज जैसी छिद्रपूर्ण संरचना जल अणुओं के प्रसार को इन आवेश वाहकों तक कुशलतापूर्वक पहुँचने और उनका उपयोग करने की अनुमति देती है, जिससे अत्यधिक उच्च H 2 उत्पादन उपज मिलती है और सभी ऑक्साइड-आधारित अकार्बनिक पाईज़ोकैटेलिस्ट से बेहतर प्रदर्शन होता है।
TAPA जैसे सरल दाता अणु और PDA जैसे स्वीकर्ता अणु का उपयोग करते हुए, प्रो. माजी और उनकी अनुसंधान टीम ने एक COF प्रणाली बनाई है जिसमें प्रबल आवेश स्थानांतरण गुण हैं, जो द्विध्रुव (धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों के बीच पृथक्करण) का निर्माण करती है।
टीएपीए इकाइयों में एक अद्वितीय प्रोपेलर जैसी आकृति होती है, जहां उनके बेंजीन के छल्ले संरचना की सपाट समरूपता को तोड़ने के लिए मुड़ते और झुकते हैं, जिससे इसे अधिक स्थिर, कम ऊर्जा वाली स्थिति में पहुंचने में मदद मिलती है। जेएनसीएएसआर के प्रोफेसर उमेश वी. वाघमारे और उनकी टीम, जो अध्ययन के सहयोगी हैं, ने सैद्धांतिक विश्लेषण का उपयोग करके दिखाया कि इस सीओएफ में ऊर्जा बैंड के साथ एक असामान्य इलेक्ट्रॉनिक संरचना है जो द्विध्रुवीय क्रम द्वारा एक दूसरे के साथ युग्मित और प्रतिध्वनित होते हैं। इससे जाली संरचना में अस्थिरता होती है, जिससे FiE क्रम बनता है। ये FiE द्विध्रुव पदार्थ में लचीले मुड़ने वाले आणविक गति के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे वे यांत्रिक दबाव के प्रति संवेदनशील हो जाते हैं। नतीजतन, पदार्थ यांत्रिक रूप से उत्तेजित होने पर इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न कर सकता है
जेएनसीएएसआर के अलावा, भारतीय विज्ञान शिक्षा एवं अनुसंधान संस्थान, पुणे से डॉ. सुप्रिया साहू और प्रो. राममूर्ति बूमिशंकर तथा व्रोकला विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय, पोलैंड से प्रो. जान के. जारेबा ने वर्तमान अंतःविषयक अध्ययन में महत्वपूर्ण योगदान दिया।
यांत्रिक ऊर्जा का उपयोग करके H2 की उच्च उत्पादन दर के साथ लागत प्रभावी, धातु रहित प्रणाली के उपयोग से छिद्रयुक्त विषम उत्प्रेरकों पर आधारित हरित H2 के लिए एक नया मार्ग खुलता है।
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एनकेआर/पीएसएम
