रूप बदलकर चमकता उत्प्रेरक: पानी से बना हरा हाइड्रोजन
People assume that catalysts as fixed and stable, doing their job without changing. In reality many catalysts behave quite differently when they are actually in use. Their structure can shift during the reaction and these changes can have a big impact on how well they work.
By-Jyoti Rawat
वैज्ञानिकों ने एक व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले उत्प्रेरक की संरचना में होने वाले परिवर्तन को उजागर किया है, जो पानी के विद्युत-अपघटन (electrolysis) के दौरान ग्रीन हाइड्रोजन बनाने की प्रक्रिया को ट्रिगर करता है।
यह खोज कुशल, कम लागत वाली हाइड्रोजन उत्पादन के लिए अगली पीढ़ी के प्रभावी इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट्स के डिजाइन को निर्देशित करने में मदद करेगी।
हाइड्रोजन — जो भविष्य का स्वच्छ ईंधन है — को बनाने का सबसे सरल तरीकों में से एक पानी को बिजली के उपयोग से तोड़ना है। लेकिन यह प्रक्रिया तभी अच्छी तरह काम करती है जब हमारे पास अच्छे उत्प्रेरक उपलब्ध हों जो प्रतिक्रिया को तेज और अधिक कुशल बनाएं।
लोग आमतौर पर यह मानते हैं कि उत्प्रेरक स्थिर और अपरिवर्तनीय होते हैं तथा बिना खुद बदले अपना काम करते रहते हैं। वास्तविकता में, कई उत्प्रेरक उपयोग के दौरान काफी अलग व्यवहार करते हैं। उनकी संरचना प्रतिक्रिया के दौरान बदल सकती है और ये परिवर्तन उनके कार्यक्षमता पर बड़ा प्रभाव डालते हैं।
CeNS बेंगलुरु के डॉ. नीना एस. जॉन और पीएचडी विद्वान पालाश ज्योति गोगोई के नेतृत्व में एक शोध टीम ने — जर्मनी के Kiel University के डॉ. चंद्रराज एलेक्स तथा IKST बेंगलुरु के डॉ. सतदीप भट्टाचार्जी और डॉ. स्वेतारेखा राम के सहयोग से — मोलिब्डेनम कार्बाइड (Mo₂C) नामक एक प्रसिद्ध पृथ्वी-प्रचुर उत्प्रेरक के व्यवहार पर नए निष्कर्ष दिए हैं। उन्होंने यह खुलासा किया कि हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन (HER) के दौरान इसकी संरचना कैसे विकसित होती है।
उन्नत प्रयोगात्मक तकनीकों — इन-सीटू एक्स-रे एब्जॉर्प्शन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XAS) और इन-सीटू रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी — तथा सैद्धांतिक गणनाओं के संयोजन से शोधकर्ताओं ने Mo₂C में HER के दौरान होने वाले बदलावों को ट्रैक किया।
अध्ययन से पता चलता है कि Mo₂C HER के दौरान संरचनात्मक रूप से स्थिर नहीं रहता, बल्कि इसमें गतिशील पुनर्निर्माण (dynamic reconstruction) होता है, जिससे ऑक्सीजन-कमी युक्त मोलिब्डेनम ऑक्साइड (MoOₓ) डोमेन बनते हैं। ये पुनर्निर्मित प्रजातियाँ स्थानीय समन्वय पर्यावरण में MoO₂ के काफी निकट होती हैं और H₂ उत्पादन को सुविधाजनक बनाने में निर्णायक भूमिका निभाती हैं।
महत्वपूर्ण बात यह है कि यह परिवर्तन हानिकारक नहीं बल्कि लाभदायक है, जिससे उत्प्रेरक की सक्रियता और स्थिरता दोनों बढ़ जाती हैं। इसके विपरीत, Mo/Mo₂C हेटरोस्ट्रक्चर्स में तेजी से ऑक्सीकरण होता है, जिससे घुलनशील मोलिब्डेट प्रजातियाँ बनती हैं और उत्प्रेरक सक्रियता में कमी आती है। यह तुलना स्पष्ट रूप से दर्शाती है कि Mo₂C में नियंत्रित पुनर्निर्माण उत्प्रेरक दक्षता को बढ़ावा देता है, जबकि Mo/Mo₂C में अनियंत्रित ऑक्सीकरण गिरावट का कारण बनता है।
इन अवलोकनों से आगे बढ़कर, इस शोध ने स्थानीय परमाणु संरचना, गतिशील रेडॉक्स विकास और इलेक्ट्रोकैटेलिटिक प्रदर्शन के बीच मौलिक संबंध स्थापित किया है। यह यथार्थ ऑपरेटिंग स्थितियों में उत्प्रेरकों के कार्य करने के तरीके पर नई समझ प्रदान करता है। यह दर्शाता है कि सच्चा सक्रिय चरण (true active phase) इन-सीटू बनता है, न कि मूल प्राचीन पदार्थ स्वयं। इस प्रकार, गतिशील पुनर्निर्माण को उत्प्रेरक सक्रियता का प्रमुख कारक मानते हुए, यह कुशल अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट्स के डिजाइन का मार्गदर्शन करता है।
Material Horizons जर्नल में प्रकाशित यह शोध दर्शाता है कि गतिशील पुनर्निर्माण का उपयोग करके Mo₂C उत्प्रेरकों की पूरी क्षमता को कैसे अनलॉक किया जा सकता है, जिससे कुशल, टिकाऊ और लागत-प्रभावी हाइड्रोजन उत्पादन प्रणालियाँ विकसित की जा सकेंगी।
प्रकाशन लिंक:https://doi.org/10.1039/D5MH02010G