हाइड्रोजन प्रोसेसिंग के लिए सामग्री पर ध्यान केंद्रित

हाइड्रोजन एक सतत ऊर्जा वाहक है। 'हरा' हाइड्रोजन, अर्थात् नवीकरणीय ऊर्जा से उत्पादित हाइड्रोजन, ऊर्जा भंडारण और ईंधन के रूप में काम कर सकता है। इसके उत्पादन और उपयोग को अधिक कुशल, दीर्घकालिक और किफायती बनाने के लिए नई सामग्रियों की आवश्यकता है। इस प्रकार, ईंधन सेल और इलेक्ट्रोलाइज़र में इस्तेमाल होने वाली झिल्लियाँ उपकरणों की कार्यक्षमता में महत्त्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं। ऐसी झिल्लियाँ अक्सर विशेष सिरेमिक से बनाई जाती हैं।

कृमिक झिल्लियों में हाइड्रोजन आयनों - प्रोटॉनों - के व्यवहार और उनके सामग्री संरचना से संबंध की पूरी तरह से समझ नहीं हो पाई है। स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन (SNF) द्वारा वित्त पोषित एक परियोजना में, Empa के शोधकर्ता Artur Braun के नेतृत्व में हाईटेक सिरेमिक्स लैब के साथ, अपने अंतरराष्ट्रीय अनुसंधान साझेदारों के साथ मिलकर इस प्रश्न का अध्ययन करेंगे।

Braun और उनकी टीम पिछले 20 वर्षों से सिरेमिक प्रोटॉन कंडक्टर्स का अध्ययन कर रही है। अच्छे प्रोटॉन कंडक्टर को विशेष रूप से दो आवश्यकताएँ पूरी करनी चाहिए: उन्हें अधिकतम संख्या में प्रोटॉन अवशोषित करने चाहिए, और प्रोटॉन को सामग्री में अधिकतम स्वतंत्रता से घूमना चाहिए। हालांकि, ये दोनों गुण एक दूसरे के विरोधाभासी होते हैं: एक को ऑप्टिमाइज़ करते समय दूसरे में प्रायः गिरावट आ जाती है।

रुकावट का रास्ता

'आप सिरेमिक झिल्ली की तुलना एक ऐसे परिदृश्य से कर सकते हैं, जो सड़कों से भरा हुआ है। प्रोटॉन इन सड़कों पर गाड़ियों की तरह चलते हैं' Braun की तुलना से स्पष्ट होता है। जितनी अधिक गाड़ियाँ सड़कों पर चलती हैं, उतना ही ट्रैफ़िक धीमा होता है। 'एक मल्टीलेन प्रोटॉन हाइवे, जिस पर चार्जें बिना रूके दोनों दिशाओं में बहती हैं, एक आदर्श स्थिति है' वे आगे कहते हैं। हालांकि, वर्तमान के प्रोटॉन झिल्लियाँ ऐसी कठिन परिस्थितियों जैसी होती हैं, जिनमें प्रोटॉन संकीर्ण रास्तों पर धीरे-धीरे चलते हैं।

जनता को परिचित प्राकृतिक दृश्यों के विपरीत, सिरेमिक झिल्लियों के क्रिस्टल संरचना गतिशील होते हैं। पिछले कार्यों में, Braun की टीम ने पाया कि अच्छी संचालन वाली सिरेमिक में प्रोटॉन कंडक्टिविटी स्थिर नहीं रहती, बल्कि कभी-कभी घट जाती है, तो कभी अधिकतम पहुंच जाती है। 'जैसे पहाड़ और घाटियाँ अचानक समतल हो जाती हैं, प्रोटॉनों को थोड़े समय के लिए स्वतंत्र रास्ता मिल जाता है' Braun बताते हैं। Empa टीम यह भी दर्शाया है कि सिरेमिक कंडक्टर्स में प्रोटॉन संचरण क्रिस्टल संरचना के कंपन के साथ निकटता से जुड़ा हुआ है- और गिटर में समाहित प्रोटॉन स्वयं उसके कंपन को प्रभावित कर सकते हैं।

क्रिस्टल संरचना में समाधान की खोज

इस प्रभाव को बेहतर तरीके से समझने के लिए, शोधकर्ता अपने वर्तमान परियोजना में एक अच्छे प्रोटॉन कंडक्टर बजाय एक खराब का अनुसरण कर रहे हैं। Lanthanum cerium oxide (LCO) हालांकि कई प्रोटॉन को अवशोषित कर सकता है लेकिन इसे आगे नहीं ले जा पाता। 'यदि एक खराब प्रोटॉन कंडक्टर को जाम से तुलना की जाए तो LCO में जैसे ट्रैफ़िक जाम पूर्णतया है', Braun कहते हैं।

इस प्रतीत होने वाले नुकसान में शोधकर्ताओं के लिए सामग्री संरचना का प्रोटॉन कंडक्टिविटी पर प्रभाव का अध्ययन करने का एक अनूठा अवसर मिलता है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन क्रिस्टलोग्राफिक संरचना निर्धारण के लिए Paul Scherrer Institute (PSI) में न्यूट्रॉन का उपयोग करने के अलावा, टीम अमेरिका और जापान में बड़े अनुसंधान केंद्रों में क्रिस्टल संरचना के कंपन को मापने और सैद्धांतिक मॉडलों की प्रयोगात्मक परीक्षण करने के लिए नई तरीकों का उपयोग करती है। 'यदि हम प्रोटॉन कंडक्टिविटी के वैज्ञानिक नींव को समझ सकते हैं, तो हम आदर्श रूप से कह सकते हैं कि भविष्य की सिरेमिक कैसे बेहतर प्रोटॉन कंडक्टर बनेंगी, और इस प्रकार ईंधन सेल और इलेक्ट्रोलाइज़रों के लिए अधिक कुशल झिल्लियों की अनुमति देंगी', भौतिक विज्ञानी बताते हैं।

संपर्क:
Dr. Artur Braun
उच्च-प्रदर्शन सिरेमिक
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch

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