مطالعہ بہت سے قابل تجدید توانائی کی ٹیکنالوجیوں کے دل میں ایک ردعمل کو ظاہر کرتا ہے

16 جنوری 2024 (نانورک نیوز) ایک کلیدی کیمیائی رد عمل - جس میں الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ کی سطح کے درمیان پروٹون کی حرکت برقی کرنٹ چلاتی ہے - توانائی کی بہت سی ٹیکنالوجیز میں ایک اہم قدم ہے، بشمول ایندھن کے خلیات اور ہائیڈروجن گیس پیدا کرنے کے لیے استعمال ہونے والے الیکٹرولائزرز۔ پہلی بار، MIT کے کیمیا دانوں نے تفصیل سے نقشہ بنایا ہے کہ یہ پروٹون کے ساتھ مل کر الیکٹران کی منتقلی الیکٹروڈ کی سطح پر کیسے ہوتی ہے۔ ان کے نتائج محققین کو زیادہ موثر ایندھن کے خلیات، بیٹریاں، یا دیگر توانائی کی ٹیکنالوجیز ڈیزائن کرنے میں مدد کر سکتے ہیں۔ یوگیش سریندر ناتھ کہتے ہیں، "اس مقالے میں ہماری پیش رفت اس نوعیت کا مطالعہ اور سمجھ رہی تھی کہ یہ الیکٹران اور پروٹون کس طرح ایک سطحی مقام پر جوڑے جاتے ہیں، جو کہ اتپریرک رد عمل کے لیے متعلقہ ہے جو توانائی کی تبدیلی کے آلات یا اتپریرک رد عمل کے تناظر میں اہم ہیں،" یوگیش سریندر ناتھ کہتے ہیں۔ ایم آئی ٹی میں کیمسٹری اور کیمیکل انجینئرنگ کے پروفیسر اور مطالعہ کے سینئر مصنف۔ ان کے نتائج میں، محققین بالکل اس بات کا پتہ لگانے کے قابل تھے کہ الیکٹروڈ کے ارد گرد الیکٹرولائٹ حل کے پی ایچ میں تبدیلیاں الیکٹروڈ کے اندر پروٹون تحریک اور الیکٹران کے بہاؤ کی شرح کو کیسے متاثر کرتی ہیں. ایم آئی ٹی کے گریجویٹ طالب علم نوح لیوس اس مقالے کے مرکزی مصنف ہیں، جو آج میں ظاہر ہوتا ہے۔ نوعیت کی کیمسٹری ("انٹرفیشل پروٹون کپلڈ الیکٹران ٹرانسفر کائینیٹکس کے لئے ایک سالماتی سطح کا میکانکی فریم ورک")۔ Ryan Bisbey، ایک سابق MIT postdoc؛ کارل ویسٹینڈورف، ایک MIT گریجویٹ طالب علم؛ اور ییل یونیورسٹی کے ایک تحقیقی سائنسدان الیگزینڈر سوڈاکوف بھی اس مقالے کے مصنف ہیں۔ برقی صلاحیت کو لاگو کرنے سے ایک پروٹون ہائیڈرونیم آئن (دائیں طرف) سے الیکٹروڈ کی سطح پر منتقل ہوتا ہے۔ سالماتی طور پر متعین پروٹون بائنڈنگ سائٹس کے ساتھ الیکٹروڈز کا استعمال کرتے ہوئے، MIT محققین نے ان انٹرفیشل پروٹون کے ساتھ مل کر الیکٹران کی منتقلی کے رد عمل کے لیے ایک عام ماڈل تیار کیا۔ (تصویر: بشکریہ محققین)

گزرنے والے پروٹون

پروٹون کے ساتھ مل کر الیکٹران کی منتقلی اس وقت ہوتی ہے جب ایک مالیکیول، اکثر پانی یا تیزاب، ایک پروٹون کو دوسرے مالیکیول یا الیکٹروڈ کی سطح پر منتقل کرتا ہے، جو پروٹون قبول کرنے والے کو الیکٹران لینے کے لیے تحریک دیتا ہے۔ اس قسم کے ردعمل کو توانائی کے بہت سے استعمال کے لیے استعمال کیا گیا ہے۔ "یہ پروٹون کے ساتھ مل کر الیکٹران کی منتقلی کے رد عمل ہر جگہ موجود ہیں۔ وہ اکثر اتپریرک میکانزم میں کلیدی اقدامات ہوتے ہیں، اور خاص طور پر توانائی کی تبدیلی کے عمل جیسے ہائیڈروجن جنریشن یا فیول سیل کیٹالیسس کے لیے اہم ہوتے ہیں،" سریندر ناتھ کہتے ہیں۔ ہائیڈروجن پیدا کرنے والے الیکٹرولائزر میں، یہ نقطہ نظر پانی سے پروٹون کو ہٹانے اور ہائیڈروجن گیس بنانے کے لیے پروٹون میں الیکٹرانوں کو شامل کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ ایندھن کے سیل میں، بجلی پیدا ہوتی ہے جب پروٹون اور الیکٹران ہائیڈروجن گیس سے نکالے جاتے ہیں اور پانی بنانے کے لیے آکسیجن میں شامل ہوتے ہیں۔ پروٹون کے ساتھ مل کر الیکٹران کی منتقلی کئی دیگر قسم کے کیمیائی رد عمل میں عام ہے، مثال کے طور پر، کاربن ڈائی آکسائیڈ کی کمی (الیکٹران اور پروٹون کو شامل کرکے کاربن ڈائی آکسائیڈ کو کیمیائی ایندھن میں تبدیل کرنا)۔ سائنس دانوں نے اس بارے میں بہت کچھ سیکھا ہے کہ جب پروٹون قبول کرنے والے مالیکیول ہوتے ہیں تو یہ رد عمل کیسے ہوتے ہیں، کیونکہ وہ ہر سالمے کی ساخت کو ٹھیک طریقے سے کنٹرول کر سکتے ہیں اور مشاہدہ کر سکتے ہیں کہ الیکٹران اور پروٹون ان کے درمیان کیسے گزرتے ہیں۔ تاہم، جب الیکٹروڈ کی سطح پر پروٹون کے ساتھ مل کر الیکٹران کی منتقلی ہوتی ہے، تو اس عمل کا مطالعہ کرنا زیادہ مشکل ہوتا ہے کیونکہ الیکٹروڈ کی سطحیں عام طور پر بہت ہی متضاد ہوتی ہیں، بہت سی مختلف سائٹس کے ساتھ جن سے ایک پروٹون ممکنہ طور پر منسلک ہو سکتا ہے۔ اس رکاوٹ پر قابو پانے کے لیے، MIT ٹیم نے الیکٹروڈ سطحوں کو ڈیزائن کرنے کا ایک طریقہ تیار کیا جو انہیں الیکٹروڈ سطح کی ساخت پر بہت زیادہ درست کنٹرول فراہم کرتا ہے۔ ان کے الیکٹروڈز سطح سے منسلک نامیاتی، رنگ پر مشتمل مرکبات کے ساتھ گرافین کی چادروں پر مشتمل ہوتے ہیں۔ ان میں سے ہر ایک نامیاتی مالیکیول کے آخر میں ایک منفی چارج شدہ آکسیجن آئن ہوتا ہے جو آس پاس کے محلول سے پروٹون کو قبول کر سکتا ہے، جس کی وجہ سے ایک الیکٹران سرکٹ سے گرافیٹک سطح میں بہہ جاتا ہے۔ سریندر ناتھ کا کہنا ہے کہ "ہم ایک الیکٹروڈ بنا سکتے ہیں جو سائٹس کے وسیع تنوع پر مشتمل نہیں ہے لیکن یہ ایک ہی قسم کی بہت اچھی طرح سے طے شدہ سائٹس کی یکساں صف ہے جو ہر ایک پروٹون کو ایک ہی تعلق کے ساتھ باندھ سکتی ہے،" سریندر ناتھ کہتے ہیں۔ "چونکہ ہمارے پاس یہ بہت اچھی طرح سے طے شدہ سائٹس ہیں، اس نے ہمیں جو کچھ کرنے دیا وہ واقعی ان عملوں کے حرکیات کو کھولنا تھا۔" اس نظام کا استعمال کرتے ہوئے، محققین الیکٹروڈز میں برقی رو کے بہاؤ کی پیمائش کرنے کے قابل تھے، جس نے انہیں توازن کی سطح پر آکسیجن آئن میں پروٹون کی منتقلی کی شرح کا حساب لگانے کی اجازت دی - وہ حالت جب سطح پر پروٹون کے عطیہ کی شرح اور پروٹون کی سطح سے محلول میں واپس منتقلی برابر ہے۔ انہوں نے پایا کہ آس پاس کے محلول کا pH اس شرح پر نمایاں اثر رکھتا ہے: سب سے زیادہ شرح pH پیمانے کے انتہائی سروں پر واقع ہوئی — pH 0، سب سے زیادہ تیزابی، اور pH 14، سب سے بنیادی۔ ان نتائج کی وضاحت کرنے کے لیے، محققین نے دو ممکنہ رد عمل پر مبنی ایک ماڈل تیار کیا جو الیکٹروڈ پر ہو سکتا ہے۔ 3O+)، جو سخت تیزابیت والے محلول میں زیادہ ارتکاز میں ہوتے ہیں، پروٹون کو سطح آکسیجن آئنوں تک پہنچاتے ہیں، پانی پیدا کرتے ہیں۔ دوسرے میں، پانی سطح آکسیجن آئنوں پر پروٹون پہنچاتا ہے، ہائیڈرو آکسائیڈ آئنوں (OH) پیدا کرتا ہے۔-)، جو مضبوطی سے بنیادی حلوں میں زیادہ ارتکاز میں ہیں۔ تاہم، پی ایچ 0 کی شرح پی ایچ 14 کی شرح سے تقریباً چار گنا زیادہ تیز ہے، جزوی طور پر کیونکہ ہائیڈرونیم پانی سے زیادہ تیز رفتار پر پروٹون چھوڑ دیتا ہے۔

دوبارہ غور کرنے کا ردعمل

محققین نے حیرت کے ساتھ یہ بھی دریافت کیا کہ دونوں رد عمل غیر جانبدار پی ایچ 7 پر برابر نہیں ہیں، جہاں ہائیڈرونیم اور ہائیڈرو آکسائیڈ ارتکاز برابر ہیں، لیکن پی ایچ 10 پر، جہاں ہائیڈروکسائیڈ آئنوں کا ارتکاز ہائیڈرونیم سے 1 ملین گنا ہے۔ ماڈل تجویز کرتا ہے کہ اس کی وجہ یہ ہے کہ ہائیڈرونیم یا پانی سے پروٹون کا عطیہ شامل ہونے والا آگے کا رد عمل پانی یا ہائیڈرو آکسائیڈ کے ذریعے پروٹون کو ہٹانے والے پسماندہ ردعمل کے مقابلے میں مجموعی شرح میں زیادہ حصہ ڈالتا ہے۔ محققین کا کہنا ہے کہ الیکٹروڈ سطحوں پر یہ رد عمل کس طرح ہوتے ہیں اس کے موجودہ ماڈل فرض کرتے ہیں کہ آگے اور پیچھے والے ردعمل مجموعی شرح میں یکساں طور پر حصہ ڈالتے ہیں، لہذا نئے نتائج بتاتے ہیں کہ ان ماڈلز پر دوبارہ غور کرنے کی ضرورت پڑسکتی ہے۔ سریندر ناتھ کا کہنا ہے کہ "یہ پہلے سے طے شدہ مفروضہ ہے، کہ آگے اور معکوس ردعمل رد عمل کی شرح میں یکساں طور پر حصہ ڈالتے ہیں۔" "ہماری تلاش واقعی آنکھ کھولنے والی ہے کیونکہ اس کا مطلب یہ ہے کہ لوگ ایندھن کے سیل کیٹالیسس سے لے کر ہائیڈروجن ارتقاء تک ہر چیز کا تجزیہ کرنے کے لیے جو مفروضہ استعمال کر رہے ہیں وہ ایسی چیز ہو سکتی ہے جس پر ہمیں دوبارہ غور کرنے کی ضرورت ہے۔" محققین اب اپنے تجرباتی سیٹ اپ کو اس بات کا مطالعہ کرنے کے لیے استعمال کر رہے ہیں کہ کس طرح الیکٹروڈ کے ارد گرد موجود الیکٹرولائٹ حل میں مختلف قسم کے آئنوں کو شامل کرنے سے پروٹون کے ساتھ مل کر الیکٹران کے بہاؤ کی رفتار کو تیز یا سست کیا جا سکتا ہے۔ "ہمارے سسٹم کے ساتھ، ہم جانتے ہیں کہ ہماری سائٹس مستقل ہیں اور ایک دوسرے کو متاثر نہیں کر رہی ہیں، لہذا ہم یہ پڑھ سکتے ہیں کہ حل میں تبدیلی سطح پر ہونے والے رد عمل کو کیا کر رہی ہے،" لیوس کہتے ہیں۔

• SEO سے چلنے والا مواد اور PR کی تقسیم۔ آج ہی بڑھا دیں۔
• پلیٹو ڈیٹا ڈاٹ نیٹ ورک ورٹیکل جنریٹو اے آئی۔ اپنے آپ کو بااختیار بنائیں۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹوآئ اسٹریم۔ ویب 3 انٹیلی جنس۔ علم میں اضافہ۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ای ایس جی۔ کاربن، کلین ٹیک، توانائی ، ماحولیات، شمسی، ویسٹ مینجمنٹ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ہیلتھ۔ بائیوٹیک اینڈ کلینیکل ٹرائلز انٹیلی جنس۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• ماخذ: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64425.php