अध्ययन से कई नवीकरणीय ऊर्जा प्रौद्योगिकियों के मूल में एक प्रतिक्रिया का पता चलता है

जनवरी 16, 2024 (नानावरक न्यूज़) एक प्रमुख रासायनिक प्रतिक्रिया - जिसमें इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट की सतह के बीच प्रोटॉन की गति विद्युत प्रवाह को चलाती है - कई ऊर्जा प्रौद्योगिकियों में एक महत्वपूर्ण कदम है, जिसमें ईंधन सेल और हाइड्रोजन गैस का उत्पादन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोलाइज़र शामिल हैं। पहली बार, एमआईटी के रसायनज्ञों ने विस्तार से बताया है कि ये प्रोटॉन-युग्मित इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण इलेक्ट्रोड सतह पर कैसे होते हैं। उनके परिणाम शोधकर्ताओं को अधिक कुशल ईंधन सेल, बैटरी या अन्य ऊर्जा प्रौद्योगिकियों को डिजाइन करने में मदद कर सकते हैं। योगेश सुरेंद्रनाथ कहते हैं, "इस पेपर में हमारी प्रगति इस बात का अध्ययन और समझ थी कि ये इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन एक सतह स्थल पर कैसे जुड़ते हैं, जो उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के लिए प्रासंगिक है जो ऊर्जा रूपांतरण उपकरणों या उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के संदर्भ में महत्वपूर्ण हैं।" एमआईटी में रसायन विज्ञान और रसायन इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और अध्ययन के वरिष्ठ लेखक। अपने निष्कर्षों में, शोधकर्ता यह पता लगाने में सक्षम थे कि इलेक्ट्रोड के आसपास इलेक्ट्रोलाइट समाधान के पीएच में परिवर्तन इलेक्ट्रोड के भीतर प्रोटॉन गति और इलेक्ट्रॉन प्रवाह की दर को कैसे प्रभावित करते हैं। एमआईटी स्नातक छात्र नूह लुईस पेपर के मुख्य लेखक हैं, जो आज प्रकाशित हुआ है प्रकृति केमिस्ट्री ("इंटरफेशियल प्रोटॉन-युग्मित इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण कैनेटीक्स के लिए एक आणविक-स्तरीय यंत्रवत ढांचा"). रयान बिस्बे, पूर्व एमआईटी पोस्टडॉक; कार्ल वेस्टेंडॉर्फ, एक एमआईटी स्नातक छात्र; और येल विश्वविद्यालय के एक शोध वैज्ञानिक अलेक्जेंडर सौदाकोव भी पेपर के लेखक हैं। विद्युत क्षमता को लागू करने से एक प्रोटॉन हाइड्रोनियम आयन (दाईं ओर) से इलेक्ट्रोड की सतह पर स्थानांतरित हो जाता है। आणविक रूप से परिभाषित प्रोटॉन बाइंडिंग साइटों के साथ इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हुए, एमआईटी शोधकर्ताओं ने इन इंटरफेशियल प्रोटॉन-युग्मित इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रतिक्रियाओं के लिए एक सामान्य मॉडल विकसित किया। (छवि: शोधकर्ताओं के सौजन्य से)

पासिंग प्रोटॉन

प्रोटॉन-युग्मित इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण तब होता है जब एक अणु, अक्सर पानी या एसिड, एक प्रोटॉन को दूसरे अणु या इलेक्ट्रोड सतह पर स्थानांतरित करता है, जो प्रोटॉन स्वीकर्ता को भी एक इलेक्ट्रॉन लेने के लिए उत्तेजित करता है। इस प्रकार की प्रतिक्रिया का उपयोग कई ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए किया गया है। “ये प्रोटॉन-युग्मित इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रतिक्रियाएं सर्वव्यापी हैं। वे अक्सर उत्प्रेरक तंत्र में महत्वपूर्ण कदम होते हैं, और हाइड्रोजन उत्पादन या ईंधन सेल उत्प्रेरक जैसी ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रियाओं के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण होते हैं, ”सुरेंद्रनाथ कहते हैं। हाइड्रोजन उत्पन्न करने वाले इलेक्ट्रोलाइज़र में, इस दृष्टिकोण का उपयोग पानी से प्रोटॉन को निकालने और हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए प्रोटॉन में इलेक्ट्रॉन जोड़ने के लिए किया जाता है। ईंधन सेल में, बिजली तब उत्पन्न होती है जब हाइड्रोजन गैस से प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों को निकालकर पानी बनाने के लिए ऑक्सीजन में मिलाया जाता है। प्रोटॉन-युग्मित इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण कई अन्य प्रकार की रासायनिक प्रतिक्रियाओं में आम है, उदाहरण के लिए, कार्बन डाइऑक्साइड में कमी (इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन जोड़कर कार्बन डाइऑक्साइड को रासायनिक ईंधन में परिवर्तित करना)। वैज्ञानिकों ने इस बारे में बहुत कुछ जान लिया है कि जब प्रोटॉन स्वीकर्ता अणु होते हैं तो ये प्रतिक्रियाएं कैसे होती हैं, क्योंकि वे प्रत्येक अणु की संरचना को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकते हैं और देख सकते हैं कि इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन उनके बीच कैसे गुजरते हैं। हालाँकि, जब इलेक्ट्रोड की सतह पर प्रोटॉन-युग्मित इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण होता है, तो प्रक्रिया का अध्ययन करना अधिक कठिन होता है क्योंकि इलेक्ट्रोड सतहें आमतौर पर बहुत विषम होती हैं, कई अलग-अलग साइटें होती हैं जिनसे एक प्रोटॉन संभावित रूप से बंध सकता है। उस बाधा को दूर करने के लिए, एमआईटी टीम ने इलेक्ट्रोड सतहों को डिजाइन करने का एक तरीका विकसित किया जो उन्हें इलेक्ट्रोड सतह की संरचना पर अधिक सटीक नियंत्रण प्रदान करता है। उनके इलेक्ट्रोड में सतह से जुड़े कार्बनिक, रिंग युक्त यौगिकों के साथ ग्राफीन की चादरें होती हैं। इनमें से प्रत्येक कार्बनिक अणु के अंत में एक नकारात्मक रूप से चार्ज किया गया ऑक्सीजन आयन होता है जो आसपास के समाधान से प्रोटॉन को स्वीकार कर सकता है, जो एक इलेक्ट्रॉन को सर्किट से ग्रेफाइटिक सतह में प्रवाहित करने का कारण बनता है। सुरेंद्रनाथ कहते हैं, "हम एक ऐसा इलेक्ट्रोड बना सकते हैं जिसमें साइटों की व्यापक विविधता शामिल नहीं है, लेकिन यह एक ही प्रकार की बहुत अच्छी तरह से परिभाषित साइटों की एक समान सरणी है जो प्रत्येक प्रोटॉन को समान आत्मीयता के साथ बांध सकती है।" "चूंकि हमारे पास ये बहुत अच्छी तरह से परिभाषित साइटें हैं, इसने हमें जो करने की अनुमति दी वह वास्तव में इन प्रक्रियाओं की गतिशीलता को उजागर करना था।" इस प्रणाली का उपयोग करके, शोधकर्ता इलेक्ट्रोड में विद्युत प्रवाह के प्रवाह को मापने में सक्षम थे, जिससे उन्हें संतुलन पर सतह पर ऑक्सीजन आयन में प्रोटॉन स्थानांतरण की दर की गणना करने की अनुमति मिली - वह स्थिति जब सतह पर प्रोटॉन दान की दर और सतह से विलयन में प्रोटॉन का स्थानांतरण बराबर होता है। उन्होंने पाया कि आसपास के घोल का pH इस दर पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालता है: उच्चतम दरें pH पैमाने के चरम छोर पर होती हैं - pH 0, सबसे अम्लीय, और pH 14, सबसे बुनियादी। इन परिणामों को समझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रोड पर होने वाली दो संभावित प्रतिक्रियाओं के आधार पर एक मॉडल विकसित किया। 3O+), जो अत्यधिक अम्लीय घोल में उच्च सांद्रता में होते हैं, सतह पर ऑक्सीजन आयनों को प्रोटॉन पहुंचाते हैं, जिससे पानी बनता है। दूसरे में, पानी प्रोटॉन को सतह के ऑक्सीजन आयनों तक पहुंचाता है, जिससे हाइड्रॉक्साइड आयन (OH) उत्पन्न होता है-), जो दृढ़ता से बुनियादी समाधानों में उच्च सांद्रता में हैं। हालाँकि, pH 0 पर दर pH 14 की दर से लगभग चार गुना तेज़ है, आंशिक रूप से क्योंकि हाइड्रोनियम पानी की तुलना में तेज़ दर पर प्रोटॉन छोड़ता है।

पुनर्विचार करने की प्रतिक्रिया

शोधकर्ताओं को यह भी आश्चर्य हुआ कि दोनों प्रतिक्रियाओं की दर तटस्थ पीएच 7 पर समान नहीं है, जहां हाइड्रोनियम और हाइड्रॉक्साइड सांद्रता समान हैं, बल्कि पीएच 10 पर हैं, जहां हाइड्रॉक्साइड आयनों की एकाग्रता हाइड्रोनियम की तुलना में 1 मिलियन गुना है। मॉडल यह सुझाव देता है क्योंकि हाइड्रोनियम या पानी से प्रोटॉन दान से जुड़ी आगे की प्रतिक्रिया पानी या हाइड्रॉक्साइड द्वारा प्रोटॉन को हटाने से जुड़ी पिछली प्रतिक्रिया की तुलना में समग्र दर में अधिक योगदान देती है। शोधकर्ताओं का कहना है कि इलेक्ट्रोड सतहों पर ये प्रतिक्रियाएं कैसे होती हैं, इसके मौजूदा मॉडल मानते हैं कि आगे और पीछे की प्रतिक्रियाएं समग्र दर में समान रूप से योगदान करती हैं, इसलिए नए निष्कर्ष बताते हैं कि उन मॉडलों पर पुनर्विचार करने की आवश्यकता हो सकती है। सुरेंद्रनाथ कहते हैं, "यह डिफ़ॉल्ट धारणा है कि आगे और पीछे की प्रतिक्रियाएं प्रतिक्रिया दर में समान रूप से योगदान करती हैं।" "हमारी खोज वास्तव में आंखें खोलने वाली है क्योंकि इसका मतलब है कि लोग जिस धारणा का उपयोग ईंधन सेल उत्प्रेरक से लेकर हाइड्रोजन विकास तक हर चीज का विश्लेषण करने के लिए कर रहे हैं, वह कुछ ऐसी चीज हो सकती है जिस पर हमें फिर से गौर करने की जरूरत है।" शोधकर्ता अब अपने प्रायोगिक सेटअप का उपयोग यह अध्ययन करने के लिए कर रहे हैं कि इलेक्ट्रोड के आसपास इलेक्ट्रोलाइट समाधान में विभिन्न प्रकार के आयनों को जोड़ने से प्रोटॉन-युग्मित इलेक्ट्रॉन प्रवाह की दर कैसे तेज या धीमी हो सकती है। लुईस कहते हैं, "हमारे सिस्टम के साथ, हम जानते हैं कि हमारी साइटें स्थिर हैं और एक-दूसरे को प्रभावित नहीं कर रही हैं, इसलिए हम पढ़ सकते हैं कि समाधान में परिवर्तन सतह पर प्रतिक्रिया पर क्या कर रहा है।"

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• स्रोत: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64425.php