IIT गुवाहाटी के शोधकर्ताओं ने सतत हाइड्रोजन और पेयजल समाधानों के लिए एक सामग्री विकसित की

Guwahati : इंडियन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (IIT) गुवाहाटी के शोधकर्ताओं ने एक नया मटीरियल बनाया है, जो पानी के इलेक्ट्रोलिसिस से हाइड्रोजन ईंधन बना सकता है।हालांकि, पानी को पूरी तरह से तोड़ने के लिए 1.23 V के थर्मोडायनामिक पोटेंशियल की ज़रूरत होती है, लेकिन यह मटीरियल सिर्फ़ 12 mV का बहुत कम हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन (HER) ओवरपोटेंशियल दिखाता है। यह कमर्शियल Pt/C इलेक्ट्रोड से भी बेहतर काम करता है, जिससे इसकी शानदार इलेक्ट्रोकैटेलिटिक परफॉर्मेंस सामने आती है। इसके अलावा, यह भी दिखाया गया है कि यही मटीरियल सौर ऊर्जा का इस्तेमाल करके समुद्री पानी को मीठा बनाने (desalination) में भी मदद करता है।

इस रिसर्च के नतीजे मशहूर 'एडवांस्ड फंक्शनल मटीरियल्स' जर्नल में छपे हैं। यह पेपर IIT गुवाहाटी के फ़िज़िक्स डिपार्टमेंट के प्रोफ़ेसर पी.के. गिरि और उनके रिसर्च स्कॉलर्स - कौशिक घोष और संजय सुर रॉय ने मिलकर लिखा है।

पहला मुद्दा जीवाश्म ईंधन के इस्तेमाल से होने वाले बढ़ते पर्यावरणीय नुकसान से जुड़ा है। हाइड्रोजन को अक्सर 'साफ़ ईंधन' कहा जाता है, क्योंकि जब इसका इस्तेमाल होता है, तो सिर्फ़ पानी ही बाय-प्रोडक्ट के तौर पर निकलता है और कोई CO₂ नहीं बनती। हालांकि, अभी ज़्यादातर इस्तेमाल होने वाली हाइड्रोजन जीवाश्म ईंधन से ही बनाई जाती है।इससे हाइड्रोजन पाने और बनाने के लिए ज़्यादा टिकाऊ प्रक्रियाओं और मटीरियल की ज़रूरत सामने आती है।

दूसरी चुनौती साफ़ पीने के पानी की कमी है। इस समस्या को हल करने के लिए, समुद्री पानी को मीठा बनाना एक विकल्प हो सकता है। हालांकि, यह एक महंगा तरीका है। समुद्री पानी को मीठा बनाने की प्रक्रिया में सूरज की रोशनी का इस्तेमाल करना एक किफ़ायती विकल्प हो सकता है।

इसी को ध्यान में रखते हुए, IIT गुवाहाटी की रिसर्च टीम ने MXene-आधारित एक कैटेलिस्ट बनाया है। यह कैटेलिस्ट पानी से कुशलता से हाइड्रोजन भी बना सकता है और समुद्री पानी को मीठा बनाने के लिए फ़ोटोकैटेलिस्ट के तौर पर भी काम कर सकता है।

MXenes दो-आयामी (2D) मटीरियल का एक समूह है, जो अपनी ज़्यादा इलेक्ट्रिकल कंडक्टिविटी जैसी खूबियों के लिए जाना जाता है।

हालांकि, आम MXenes का एक्टिव सरफेस एरिया काफ़ी कम होता है, जिससे उनकी कैटेलिटिक परफॉर्मेंस सीमित हो जाती है।

इस कमी को दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इस मटीरियल को बहुत पतली, रिबन जैसी संरचनाओं में बदल दिया। ऐसा करके उन्होंने चार्ज ट्रांसपोर्ट को बेहतर बनाया और उपलब्ध एक्टिव सरफेस एरिया को बढ़ाया। उन्होंने इस खास तौर पर तैयार किए गए मटीरियल में ऑक्सीजन की कमी वाली जगहों पर रुथेनियम के एटम भी डाले, ताकि इसकी कैटेलिटिक परफॉर्मेंस को और भी बेहतर बनाया जा सके।

माना जाता है कि यह मेल मेटल और सपोर्ट के बीच के इंटरैक्शन को मज़बूत बनाता है, जिससे कैटेलिटिक एक्टिविटी में काफ़ी सुधार होता है।

टीम ने यह समझने के लिए एडवांस्ड कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग भी की कि एटम के स्तर पर किए गए इन बदलावों ने परफॉर्मेंस को बेहतर बनाने में किस तरह योगदान दिया। प्रयोगों के दौरान, टीम ने देखा कि जब थोड़ी मात्रा में अतिरिक्त ऊर्जा दी गई, तो इंजीनियर किया गया मटीरियल हाइड्रोजन निकलने की प्रतिक्रिया को कुशलता से उत्प्रेरित करता है। इस मटीरियल ने नकली सूरज की रोशनी में बेहतर प्रदर्शन किया, क्योंकि इसमें प्रकाश-तापीय रूपांतरण की बेहतरीन क्षमताएं थीं, और यह लंबे समय तक स्थिर रहा, जिसमें इसके प्रदर्शन में बहुत कम गिरावट आई।

शोध के नतीजों के बारे में बात करते हुए प्रो. गिरि ने कहा, "दो-आयामी परतदार मटीरियल MXene एक अद्भुत मटीरियल है, जिसके कई तरह के उपयोग हैं। यह अध्ययन बहुत पतले MXene की 'डिफ़ेक्ट इंजीनियरिंग' का उपयोग करके स्वच्छ हाइड्रोजन ऊर्जा के सतत विकास और पीने के पानी के समाधान को दिखाता है। अपने उच्च प्रदर्शन और बेहतर स्थिरता के कारण, इस विकसित मटीरियल में व्यावसायिक उपयोग की क्षमता है।"

प्रयोगों के हिस्से के रूप में, MXenes को एक विशेष रूप से डिज़ाइन की गई त्रि-आयामी संरचना में जोड़ा गया, जिसे 'Janus evaporator' कहा जाता है। यह उपकरण पानी पर तैरता है और केवल ऊपरी परत को गर्म करके ऊर्जा की हानि को कम करता है।

सूरज की रोशनी की सामान्य स्थितियों में, इसने लगभग 3.2 kg/m²/h की वाष्पीकरण दर हासिल की। ​​खारे पानी में इसका लगातार पाँच दिनों तक परीक्षण किया गया, और इस दौरान कोई नमक जमा नहीं हुआ।

इस प्रणाली ने नमक और अन्य अशुद्धियों को प्रभावी ढंग से हटा दिया, और अंतरराष्ट्रीय जल गुणवत्ता मानकों के अनुसार, पीने के लिए उपयुक्त पानी तैयार किया।

ये नतीजे इस दोहरे-कार्य वाले सिस्टम की क्षमता को दिखाते हैं, जो सौर-ऊर्जा से चलने वाले विलवणीकरण (desalination) के साथ-साथ परिवहन, उद्योग और ऊर्जा भंडारण में उपयोग के लिए अधिक टिकाऊ हाइड्रोजन उत्पादन में भी मदद कर सकता है। (ANI)