सिंगापुर में कृत्रिम पत्ती प्रदूषित समुद्री जल से हाइड्रोजन बनाती है

सिंगापुर के नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी (एनटीयू) की एक टीम ने एक कृत्रिम पत्ती प्रस्तुत की है जो केवल सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके समुद्री जल से हाइड्रोजन का उत्पादन करती है। यह उपकरण कुछ औद्योगिक अपशिष्ट जल में पाए जाने वाले अत्यधिक विषैले रसायन हाइड्राज़ीन को भी नष्ट कर देता है। इस प्रकार यह स्वच्छ ईंधन उत्पादन और प्रदूषण निवारण दोनों को एक साथ हल करता है।

शोधकर्ताओं ने इस शोध को नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित किया । एनटीयू के स्कूल ऑफ मैटेरियल्स साइंस एंड इंजीनियरिंग की प्रोफेसर लिडिया एच. वोंग ने इस टीम का नेतृत्व किया।

समुद्री जल कठोर क्यों होता है?

अधिकांश इलेक्ट्रोलाइज़र ताजे, शुद्ध पानी को विभाजित करते हैं। समुद्री जल प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है, लेकिन इसमें मौजूद नमक समस्या पैदा करता है। जब इसमें विद्युत धारा प्रवाहित होती है, तो क्लोराइड आयन क्लोरीन यौगिक बनाते हैं जो संक्षारक और विषैले होते हैं।

ये यौगिक इलेक्ट्रोड को नष्ट कर देते हैं और अपने आप में अपशिष्ट की समस्या पैदा करते हैं। परिणामस्वरूप, समुद्री जल से हाइड्रोजन उत्पादन के लिए आमतौर पर पहले महंगी विलवणीकरण प्रक्रिया या संक्षारण प्रतिरोधी इलेक्ट्रोड की आवश्यकता होती है।

ऑस्ट्रेलिया, मध्य पूर्व और उत्तरी अफ्रीका के कुछ हिस्सों सहित शुष्क तटीय क्षेत्रों में नियोजित हाइड्रोजन केंद्रों के लिए ताजे पानी की आपूर्ति पहले से ही एक चिंता का विषय है। सीधे समुद्री जल का उपयोग करने से यह दबाव कम हो जाएगा। यह सिंगापुर जैसे द्वीप राज्यों के लिए भी उपयुक्त होगा, जिनके पास राष्ट्रीय हाइड्रोजन रणनीति तो है लेकिन ताजे पानी की सीमित मात्रा है।

एनटीयू का डिज़ाइन इस समस्या को काफी हद तक दूर करता है। टीम ने एनोड में एक उत्प्रेरक लगाया है जो हाइड्राज़ीन को हाइड्रोजन और नाइट्रोजन में तोड़ देता है। साथ ही, यह प्रतिक्रिया क्लोरीन यौगिकों के निर्माण को भी रोकती है।

एक पेरोवस्काइट कैथोड

उपकरण के दूसरी ओर, शोधकर्ताओं ने कैथोड का निर्माण लेड हैलाइड पेरोवस्काइट्स से किया। ये क्रिस्टलीय पदार्थ प्रकाश को अच्छी तरह अवशोषित करते हैं और इसे कम लागत में बिजली में परिवर्तित करते हैं। पिछले दशक में सौर अनुसंधान में इन्होंने काफी रुचि जगाई है। निर्माता इन्हें कम तापमान पर विलयन से भी संसाधित कर सकते हैं, जिससे लागत कम रहती है।

यहां, पेरोवस्काइट फोटोकैथोड ने 25 मिलीएम्पियर प्रति वर्ग सेंटीमीटर का फोटोकरंट घनत्व प्राप्त किया। फोटोकरंट घनत्व यह मापता है कि उपकरण प्रति प्रकाशित क्षेत्र में कितना करंट उत्पन्न करता है। टीम का कहना है कि यह आंकड़ा लेड-आधारित पेरोवस्काइट कैथोड के लिए अब तक दर्ज किए गए उच्चतम आंकड़ों में से एक है।

यह उपकरण स्वच्छ दिन में पूर्ण सूर्यप्रकाश के बराबर प्रकाश में 72 घंटे से अधिक समय तक स्थिर उत्पादन क्षमता बनाए रखता है। साथ ही, यह सौर ऊर्जा से चलने वाले अन्य उपकरणों के समान दर से हाइड्रोजन का उत्पादन करता है।

यह काम करते समय पानी को साफ करता है

क्योंकि यह उपकरण बिना किसी बाहरी वोल्टेज के चलता है, इसलिए यह स्व-संचालित है। सरल शब्दों में कहें तो, दोनों अभिक्रियाएँ केवल सूर्य के प्रकाश से संचालित होती हैं, बिजली ग्रिड या बैटरी से नहीं ली जाती। परीक्षणों में, इसने लगभग 30 घंटों में हाइड्राज़ीन को एक अरब भाग से भी कम स्तर तक विघटित कर दिया। वास्तव में, इस उपकरण ने परीक्षण घोल से लगभग सभी प्रदूषक को हटा दिया।

हाइड्राज़ीन का उपयोग रासायनिक उत्पादन सहित औद्योगिक प्रक्रियाओं में और रॉकेट प्रणोदक के रूप में किया जाता है। यह मनुष्यों और जलीय जीवन के लिए विषैला होता है, इसलिए इसमें मौजूद अपशिष्ट जल का सावधानीपूर्वक उपचार आवश्यक है। ईंधन बनाते समय इसे हटाने वाला उपकरण निपटान लागत को एक छोटे से मूल्य स्रोत में बदल सकता है।

विस्तार से पहले की बाधाएं

ये परिणाम प्रयोगशाला स्तर के हैं, और कई बड़े सवाल अभी भी अनसुलझे हैं। पेरोवस्काइट की एक ज्ञात कमजोरी है: नमी, गर्मी और लंबे समय तक प्रकाश के संपर्क में आने पर ये खराब हो जाते हैं। तीन दिनों तक स्थिर संचालन इस प्रकार की सामग्री के लिए एक ठोस उपलब्धि है, हालांकि व्यावसायिक प्रणालियों को वर्षों तक चलने की आवश्यकता होती है।

पानी में रखे जाने वाले किसी भी उपकरण के लिए सीसे का उपयोग भी प्रश्नचिह्न खड़े करता है। इंजीनियरों को यह साबित करना होगा कि यह पदार्थ लंबे समय तक सीलबंद रहता है। इसके अलावा, छोटे प्रयोगशाला कक्षों को बड़े पैनलों में विस्तारित करने से आमतौर पर दक्षता कम हो जाती है।

फिर भी, यह शोध प्रत्यक्ष सौर हाइड्रोजन उत्पादन के लिए अपनाए जा रहे विभिन्न तरीकों में एक और कड़ी जोड़ता है, जिनमें जल विखंडन की प्रक्रिया को तेज करने वाले स्तरित सौर पदार्थ भी शामिल हैं। तटीय औद्योगिक स्थलों के लिए, प्रदूषित जल का उपचार करते हुए समुद्री जल से हाइड्रोजन बनाना एक आकर्षक संयोजन है। अगला कदम यह साबित करना है कि यह अवधारणा प्रयोगशाला के बाहर वास्तविक परिस्थितियों में भी कारगर साबित हो सकती है।