हाइड्रोजन ऊर्जा संक्रमण की आधारशिला है। सौर ऊर्जा से हाइड्रोजन प्राप्त करने के लिए, एलएमयू के शोधकर्ताओं ने नए उच्च प्रदर्शन वाले नैनोस्ट्रक्चर विकसित किए हैं। यह सामग्री सौर ऊर्जा का उपयोग करके हरित हाइड्रोजन उत्पादन का विश्व रिकॉर्ड बनाती है।
जब एमिलियानो कोर्टेस सूरज की रोशनी की तलाश में जाता है, तो वह विशाल रिफ्लेक्टर या व्यापक सौर खेतों का उपयोग नहीं करता है। इसके विपरीत, प्रायोगिक भौतिकी और ऊर्जा रूपांतरण के एलएमयू प्रोफेसर खुद को नैनोस्केल ब्रह्मांड का अध्ययन करने के लिए समर्पित करते हैं। कॉर्टेज़ ने कहा, "जहां सूर्य के प्रकाश में उच्च-ऊर्जा कण (फोटॉन) परमाणु संरचना से मिलते हैं, वहीं से हमारा शोध शुरू होता है।" "हम सौर ऊर्जा को अधिक कुशलता से प्राप्त करने और उपयोग करने के लिए भौतिक समाधानों पर काम कर रहे हैं।"
उनके निष्कर्षों में काफी संभावनाएं हैं क्योंकि वे नए प्रकार के सौर सेल और फोटोकैटलिस्ट को सक्षम कर सकते हैं। उद्योग को फोटोकैटलिस्टों से बहुत उम्मीदें हैं क्योंकि वे बिजली उत्पन्न करने की आवश्यकता को दरकिनार करते हुए रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए प्रकाश ऊर्जा का उपयोग कर सकते हैं। लेकिन कोर्टेस को पता था कि सूर्य के प्रकाश का उपयोग करना एक बड़ी चुनौती है जिससे सौर कोशिकाओं को भी निपटना होगा: "पृथ्वी तक पहुँचने पर सूर्य का प्रकाश 'पतला' हो जाता है, इसलिए प्रति इकाई क्षेत्र में ऊर्जा अपेक्षाकृत कम होती है।" सौर पैनल एक बड़े क्षेत्र को कवर करके इसकी भरपाई करते हैं।
हालाँकि, कोर्टेस यकीनन समस्या को दूसरी दिशा से देख रहा है: बवेरियन स्टेट यूनिवर्सिटी के नैनो-इंस्टीट्यूट में अपनी टीम के साथ, इलेक्ट्रॉनिक रूपांतरण के लिए उत्कृष्टता क्लस्टर, सोलर टेक्नोलॉजीज गो हाइब्रिड (बवेरियन राज्य सरकार के विज्ञान और कला मंत्रालय की एक पहल) और यूरोपीय अनुसंधान परिषद द्वारा वित्त पोषित, वह तथाकथित प्लास्मोनिक नैनोस्ट्रक्चर विकसित कर रहा है जिसका उपयोग सौर ऊर्जा को केंद्रित करने के लिए किया जा सकता है।
हाल ही में, कोर्टेस ने बर्लिन में फ्रिट्ज़-हैबर इंस्टीट्यूट के डॉ. मैथियास हेरलैंड और फ़्री यूनिवर्सिटेट बर्लिन और हैम्बर्ग विश्वविद्यालय के साझेदारों के साथ मिलकर नेचर कैटालिसिस पत्रिका में एक लेख प्रकाशित किया, जिसमें एक द्वि-आयामी सुपरक्रिस्टल का वर्णन किया गया है जो सूर्य के प्रकाश की मदद से फॉर्मिक एसिड से हाइड्रोजन उत्पन्न कर सकता है।
कोर्टेस ने कहा, "वास्तव में, यह सामग्री इतनी अच्छी है कि यह सूर्य के प्रकाश से हाइड्रोजन के उत्पादन का विश्व रिकॉर्ड रखती है।" "यह फोटोकैटलिस्ट के उत्पादन और ऊर्जा वाहक के रूप में हाइड्रोजन दोनों के लिए अच्छी खबर है, क्योंकि वे एक सफल ऊर्जा संक्रमण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।"
अपने सुपरक्रिस्टल के लिए, कोर्टेस और हेरान ने दो अलग-अलग नैनोस्केल धातुओं का उपयोग किया, हेरान बताते हैं: "हमने सबसे पहले एक प्लास्मोनिक धातु से 10-200 नैनोमीटर के कण बनाए - हमारे मामले में सोना। इस पैमाने पर, प्रोटिक धातुएं (चांदी, तांबा, एल्यूमीनियम और मैग्नीशियम भी) एक विशेष घटना का अनुभव करती हैं: दृश्य प्रकाश धातु के इलेक्ट्रॉनों के साथ बहुत दृढ़ता से संपर्क करता है, जिससे वे प्रतिध्वनित होते हैं।"
इसका मतलब यह है कि इलेक्ट्रॉन सामूहिक रूप से नैनोकण के एक तरफ से दूसरी तरफ तेजी से चलते हैं, जिससे एक प्रकार का छोटा चुंबक बनता है। विशेषज्ञ इसे द्विध्रुव क्षण कहते हैं। कोर्टेस ने बताया, "यह आने वाली रोशनी में एक मजबूत बदलाव है, इसलिए यह धातु के नैनोकणों के साथ अधिक मजबूती से संपर्क करता है।" "इसी तरह, हम इस प्रक्रिया को ऊर्जा को केंद्रित करने वाले सुपरलेंस के रूप में सोच सकते हैं। हमारे नैनोमटेरियल्स आणविक पैमाने पर ऐसा करते हैं। यह नैनोकणों को अधिक सूर्य के प्रकाश को पकड़ने और इसे उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों में परिवर्तित करने की अनुमति देता है। ये इलेक्ट्रॉन, बदले में, रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चलाने में मदद करते हैं।"
लेकिन इस ऊर्जा का उपयोग कैसे किया जा सकता है? इसके लिए, एलएमयू वैज्ञानिकों ने हैम्बर्ग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के साथ सहयोग किया। उन्होंने स्व-संगठन के सिद्धांत के आधार पर सोने के कणों को सतह पर व्यवस्थित तरीके से व्यवस्थित किया। प्रकाश-पदार्थ की अंतःक्रिया को अधिकतम करने के लिए कणों को निकट निकटता में होना चाहिए, लेकिन स्पर्श नहीं करना चाहिए।
टीयू बर्लिन के शोधकर्ताओं ने फ़्री यूनिवर्सिटैट बर्लिन के एक शोध समूह के सहयोग से इस सामग्री के ऑप्टिकल गुणों का अध्ययन किया और पाया कि प्रकाश का अवशोषण कई गुना बढ़ गया। सोने के नैनोकणों की श्रृंखलाएं आने वाली रोशनी को बेहद कुशलता से केंद्रित करती हैं, जिससे अत्यधिक स्थानीयकृत मजबूत विद्युत क्षेत्र बनते हैं जिन्हें हॉट स्पॉट के रूप में जाना जाता है।
ये गर्म स्थान सोने के कणों के बीच बने, जिससे कोर्टेस और एलाम को गर्म स्थानों के बीच के अंतराल में प्लैटिनम नैनोकण, एक क्लासिक शक्तिशाली उत्प्रेरक सामग्री, रखने का विचार आया। हैम्बर्ग अनुसंधान दल ने इसे फिर से किया है।
"प्लैटिनम फोटोकैटलिसिस के लिए पसंद की सामग्री नहीं है क्योंकि यह सूरज की रोशनी को बहुत खराब तरीके से अवशोषित करता है। हालांकि, हम इसे बढ़ाने के लिए गर्म स्थानों में प्लैटिनम को मजबूर कर सकते हैं अन्यथा खराब अवशोषण और रासायनिक प्रतिक्रिया को बढ़ावा देने के लिए प्रकाश ऊर्जा का उपयोग करते हैं। हमारे मामले में, प्रतिक्रिया फॉर्मिक एसिड को हाइड्रोजन गैस में परिवर्तित करती है," हेरान बताते हैं।
यह फोटोकैटलिटिक सामग्री प्रति घंटे प्रति ग्राम उत्प्रेरक फॉर्मिक एसिड से 139 मिलीमोल हाइड्रोजन का उत्पादन करती है और वर्तमान में सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके हाइड्रोजन उत्पादन का विश्व रिकॉर्ड रखती है।
वर्तमान में, हाइड्रोजन का उत्पादन मुख्य रूप से जीवाश्म ईंधन, मुख्य रूप से प्राकृतिक गैस से होता है। अधिक टिकाऊ उत्पादन विधियों को अपनाने के प्रयास में, दुनिया भर की शोध टीमें ऐसी प्रौद्योगिकियों की जांच कर रही हैं जो फॉर्मिक एसिड, अमोनिया और पानी सहित वैकल्पिक फीडस्टॉक्स का उपयोग करती हैं। अनुसंधान फोकस में बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त फोटोकैटलिटिक रिएक्टरों का विकास भी शामिल है। दोनों शोधकर्ताओं का उल्लेख है, "हमारे जैसे स्मार्ट सामग्री समाधान तकनीकी सफलता की एक महत्वपूर्ण आधारशिला हैं।" "प्लाज्मोनिक और उत्प्रेरक धातुओं के संयोजन से, हम औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए शक्तिशाली फोटोकैटलिस्ट के विकास को आगे बढ़ा रहे हैं। यह सूर्य के प्रकाश का उपयोग करने का एक नया तरीका है, जो कार्बन डाइऑक्साइड को उपयोगी पदार्थों में परिवर्तित करने जैसी अन्य प्रतिक्रियाओं की क्षमता प्रदान करता है।"
दोनों शोधकर्ताओं ने अपने भौतिक विकास के लिए पेटेंट के लिए आवेदन किया है।
/ScitechDaily से संकलित