सार:
शोधकर्ताओं ने हाल ही में प्राकृतिक पत्तियों से प्रेरित एक नया "कृत्रिम पत्ती" उपकरण विकसित किया है, जो प्रदूषित समुद्री जल से सीधे स्वच्छ हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए सूर्य के प्रकाश का उपयोग कर सकता है, और साथ ही औद्योगिक अपशिष्ट जल में विषाक्त प्रदूषक हाइड्राज़िन को विघटित कर सकता है, जिससे ऊर्जा उत्पादन और जल शुद्धिकरण के दो कार्य एक साथ हो सकते हैं। यह परिणाम "नेचर कम्युनिकेशंस" पत्रिका में प्रकाशित हुआ है और इसे भविष्य में हरित हाइड्रोजन ऊर्जा उत्पादन के लिए अधिक कुशल और टिकाऊ नया विचार प्रदान करने वाला माना जाता है।
हाइड्रोजन को व्यापक रूप से भविष्य में महत्वपूर्ण स्वच्छ ऊर्जा स्रोतों में से एक माना जाता है, लेकिन पारंपरिक हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रिया में अक्सर बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है। वर्तमान में सबसे आम तरीका पानी का इलेक्ट्रोलिसिस है, जो पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करने के लिए विद्युत प्रवाह का उपयोग करता है। हालाँकि, अधिकांश इलेक्ट्रोलिसिस प्रणालियाँ कीमती मीठे पानी के संसाधनों पर निर्भर करती हैं। हालाँकि समुद्री जल प्रचुर मात्रा में है, फिर भी इसका सीधे उपयोग करना कठिन है क्योंकि इसमें बड़ी मात्रा में क्लोराइड आयन होते हैं। क्लोराइड आयन न केवल प्रतिक्रिया दक्षता को कम करते हैं, बल्कि संक्षारक और विषाक्त क्लोरीनीकरण उप-उत्पाद भी उत्पन्न कर सकते हैं, जिससे उपकरणों को नुकसान हो सकता है।
इन समस्याओं को दूर करने के लिए, सिंगापुर में नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी की एक शोध टीम ने एक नया प्रकाश-चालित उपकरण डिजाइन किया। यह उपकरण सौर ऊर्जा एकत्र कर सकता है जैसे पौधों की पत्तियां प्रकाश संश्लेषण करती हैं और अतिरिक्त बाहरी बिजली आपूर्ति समर्थन की आवश्यकता के बिना प्रकाश ऊर्जा को सीधे रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चलाने के लिए आवश्यक विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित कर सकती हैं।
अनुसंधान टीम ने डिवाइस के एनोड भाग में लौह, कोबाल्ट और क्रोमियम से बना एक उत्प्रेरक पेश किया। उत्प्रेरक आमतौर पर औद्योगिक अपशिष्ट जल में पाए जाने वाले अत्यधिक जहरीले रसायन हाइड्राज़ीन को हाइड्रोजन और नाइट्रोजन में तोड़ देता है। पारंपरिक जल इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रियाओं में ऑक्सीजन उत्पन्न करने वाली प्रतिक्रिया की तुलना में, इस हाइड्राज़ीन ऑक्सीकरण प्रक्रिया के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, इसलिए यह समग्र हाइड्रोजन उत्पादन दक्षता में काफी सुधार कर सकती है। साथ ही, प्रदूषक के रूप में हाइड्रेज़िन को प्रभावी ढंग से हटा दिया जाता है, जिससे अपशिष्ट जल शुद्धिकरण कार्य का एहसास होता है।
शोधकर्ताओं का कहना है कि यह डिज़ाइन दोहरा लाभ लाता है। एक ओर, कैथोड हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए समुद्री जल को चलाने के लिए सूर्य के प्रकाश का उपयोग करता है; दूसरी ओर, एनोड हानिकारक हाइड्राज़ीन को संसाधित करते समय अतिरिक्त हाइड्रोजन का उत्पादन भी करता है, जिससे सिस्टम का कुल हाइड्रोजन उत्पादन बढ़ जाता है। इसके अलावा, उत्प्रेरक में उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध होता है, और इसके विद्युत, भौतिक और रासायनिक गुणों को विभिन्न अनुप्रयोग आवश्यकताओं के अनुसार समायोजित किया जा सकता है।
अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि यह प्रतिक्रिया तंत्र समुद्री जल इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान हानिकारक क्लोराइड उप-उत्पादों की पीढ़ी को भी महत्वपूर्ण रूप से रोक सकता है। संक्षारक और विषाक्त पदार्थों के उत्पादन में कमी के कारण, उपकरण संचालन स्थिरता और जीवनकाल में सुधार होने की उम्मीद है।
फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण भाग में, शोधकर्ताओं ने कैथोड बनाने के लिए लेड हैलाइड पेरोव्स्काइट सामग्री का उपयोग किया। प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करने और इसे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने की अपनी उच्च दक्षता के कारण इस प्रकार की अर्धचालक सामग्री ने हाल के वर्षों में व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। समुद्री जल पर्यावरण के कारण सामग्री को ख़राब होने से बचाने के लिए, टीम ने चांदी और तांबे के कणों के साथ-साथ टाइटेनियम फ़ॉइल युक्त प्रवाहकीय एपॉक्सी राल का उपयोग करके इसे संरक्षित किया।
प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि डिवाइस स्थिर रूप से करंट उत्पन्न कर सकता है, चाहे वह नकली समुद्री जल में हो या वास्तविक समुद्री जल के नमूनों में। इसका फोटोकरंट घनत्व 25 मिलीमीटर प्रति वर्ग सेंटीमीटर तक पहुंचता है, जो कि लेड-आधारित पेरोव्स्काइट फोटोकैथोड के वर्तमान रिपोर्ट किए गए परिणामों में अग्रणी स्तर पर है, जो इसकी उत्कृष्ट सौर ऊर्जा रूपांतरण क्षमता को दर्शाता है।
स्थिरता परीक्षण ने भी अच्छा प्रदर्शन किया। किसी साफ़ दिन में प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश की तीव्रता के बराबर स्थितियों में, डिवाइस 72 घंटे से अधिक समय तक लगातार चलता रहता है, और इसका प्रदर्शन स्थिर रहता है। साथ ही, हाइड्राज़ीन सांद्रता 0.5 मोल प्रति लीटर से घटाकर 0.5 भाग प्रति बिलियन (पीपीबी) कर दी गई, जो अमेरिकी पर्यावरण संरक्षण एजेंसी की 10 पीपीबी की सुरक्षा सीमा से काफी कम है।
अनुसंधान टीम का मानना है कि यह तकनीक समुद्री जल को सीधे चलाकर हाइड्रोजन उत्पन्न करने और साथ ही प्रदूषकों का उपचार करने के लिए सौर ऊर्जा का उपयोग करने की व्यवहार्यता साबित करती है। इसके बाद, वे प्लेटफ़ॉर्म के अनुप्रयोग दायरे को और अधिक विस्तारित करने की योजना बना रहे हैं ताकि इसे अधिक प्रकार के प्रदूषकों को संभालने में सक्षम बनाया जा सके और कचरे को ईंधन या औद्योगिक रसायनों में परिवर्तित करने की संभावना का पता लगाया जा सके, जिससे हरित ऊर्जा और पर्यावरण प्रबंधन प्रौद्योगिकियों के एकीकृत विकास को बढ़ावा दिया जा सके।
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