शोधकर्ताओं ने पहली बार खोजा है कि एक ही सिल्वर (Ag) नैनोकैटलिस्ट ठोस ऑक्साइड सेल के बिजली उत्पादन या हाइड्रोजन उत्पादन के आधार पर अलग-अलग प्रतिक्रिया स्थलों पर काम कर सकता है। यह खोज इन अगली पीढ़ी के ऊर्जा उपकरणों को बेहतर प्रदर्शन के लिए डिजाइन करने का एक नया तरीका बताती है - क्योंकि जब आपके पास दो उत्प्रेरक तरकीबें हो सकती हैं तो एक से संतोष क्यों करें?

यह काम सियोल नेशनल यूनिवर्सिटी (SNU) के मैटेरियल्स साइंस एंड इंजीनियरिंग विभाग के प्रोफेसर वूचुल जंग और जियोंग वू हान ने किया, साथ ही KAIST के प्रोफेसर सांग ओक किम की टीम और कोरिया बेसिक साइंस इंस्टीट्यूट (KBSI) के डॉ. बेओमग्युन जियोंग की टीम ने भी सहयोग किया। उनके परिणाम स्पष्ट करते हैं कि सिल्वर नैनोकैटलिस्ट ठोस ऑक्साइड सेल के प्रदर्शन को कैसे बेहतर बनाते हैं और दिखाते हैं कि ऑक्सीजन प्रतिक्रियाओं का स्थान और तंत्र दोनों बदल जाते हैं जब सेल का उपयोग कैसे किया जा रहा है - थोड़ा ऐसे जैसे कोई स्विस आर्मी चाकू केवल सूप खाते समय चम्मच बनने का फैसला करता है।

ठोस ऑक्साइड सेल ऑक्सीजन आयनों को एक ठोस पदार्थ के माध्यम से स्थानांतरित करके दो अलग-अलग कार्य करते हैं: वे बिजली उत्पन्न कर सकते हैं, या वे पानी को विभाजित करके हाइड्रोजन उत्पन्न कर सकते हैं। इस बहुमुखी प्रतिभा के कारण, इस तकनीक को स्वच्छ ऊर्जा और हाइड्रोजन उपयोग के विस्तार के लिए एक महत्वपूर्ण विकल्प के रूप में देखा जाता है। संभावित अनुप्रयोगों में इमारतों और कारखानों में वितरित सह-उत्पादन प्रणालियाँ शामिल हैं जो बिजली उत्पन्न करते समय उच्च तापमान की गर्मी का उपयोग करती हैं, साथ ही नवीकरणीय ऊर्जा-आधारित हरित हाइड्रोजन उत्पादन भी शामिल है। निष्कर्ष विश्व प्रसिद्ध पत्रिका एनर्जी एंड एनवायरनमेंटल साइंस में प्रकाशित हुए और उन्हें आउटसाइड बैक कवर लेख के रूप में चुना गया, जो उनके महत्व को उजागर करता है - क्योंकि जाहिर है, बैक कवर पर होना वैज्ञानिक समुदाय में खड़े होकर तालियों की गड़गड़ाहट के बराबर है।

कैटलिस्ट अपना काम कहाँ करते हैं, इसका पता लगाना

ठोस ऑक्साइड सेल का प्रदर्शन और स्थायित्व काफी हद तक इस बात पर निर्भर करता है कि एयर इलेक्ट्रोड पर ऑक्सीजन प्रतिक्रियाएँ कितनी तेजी से होती हैं। लेकिन वास्तविक इलेक्ट्रोड की संरचना जटिल होती है, जिससे शोधकर्ताओं के लिए यह निर्धारित करना मुश्किल हो जाता है कि नैनोकैटलिस्ट वास्तव में उन प्रतिक्रियाओं में कहाँ भाग लेते हैं और वे प्रदर्शन को कैसे बेहतर बनाते हैं। पहले के शोध से पता चला था कि धातु नैनोकैटलिस्ट इन कोशिकाओं को बेहतर काम कर सकते हैं। जो अस्पष्ट रहा वह यह था कि अधिकांश उत्प्रेरक गतिविधि सीधे उत्प्रेरक सतह पर होती है या उस सीमा पर जहाँ उत्प्रेरक इलेक्ट्रोड को छूता है। शोधकर्ता यह भी नहीं जानते थे कि क्या एक ही उत्प्रेरक तंत्र बिजली उत्पादन और हाइड्रोजन उत्पादन दोनों के लिए जिम्मेदार था।

इन सवालों की जांच के लिए, टीम ने पारंपरिक इलेक्ट्रोड की अधिक जटिल संरचना पर भरोसा करने के बजाय सावधानीपूर्वक नियंत्रित संरचना और संरचना के साथ एक मॉडल इलेक्ट्रोड बनाया। समान आकार और अंतर वाले धातु नैनोकणों को क्रमबद्ध पैटर्न में व्यवस्थित किया गया, जिससे शोधकर्ताओं को उनकी उत्प्रेरक भूमिकाओं की अधिक सटीक जांच करने की अनुमति मिली। वैज्ञानिकों ने पहले कई धातु नैनोकैटलिस्ट की तुलना की, जिनमें सिल्वर, कोबाल्ट, पैलेडियम और प्लैटिनम शामिल थे। प्रत्येक को एक पतली फिल्म पेरोव्स्काइट ऑक्साइड इलेक्ट्रोड पर जमा किया गया और ऑक्सीजन प्रतिक्रियाओं को तेज करने की उनकी क्षमता के लिए परीक्षण किया गया। सिल्वर ने परीक्षण किए गए धातुओं में सबसे मजबूत उत्प्रेरक सुधार पैदा किया - लो, प्लैटिनम।

फिर शोधकर्ताओं ने सिल्वर नैनोकणों के आकार और व्यवस्था को बदल दिया ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि सबसे महत्वपूर्ण प्रतिक्रियाएँ कहाँ हो रही थीं। ऑक्सीजन कमी प्रतिक्रिया (बिजली उत्पादन) के दौरान, प्रतिक्रिया दर बढ़ गई क्योंकि सिल्वर नैनोकणों और इलेक्ट्रोड के बीच की सीमा की लंबाई बढ़ गई। इससे पता चला कि जब सेल बिजली उत्पन्न कर रहा है तो सिल्वर और इलेक्ट्रोड के बीच का इंटरफेस मुख्य प्रतिक्रिया स्थल है। ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (हाइड्रोजन उत्पादन) के दौरान स्थिति बदल गई। इस मोड में, प्रतिक्रिया दर सिल्वर नैनोकणों के सतह क्षेत्र के साथ बढ़ी। उस परिणाम से पता चला कि हाइड्रोजन उत्पादन के दौरान सिल्वर कणों की सतह ही प्राथमिक प्रतिक्रिया स्थल बन जाती है।