प्रोफेसर डोमिनिक एडर के नेतृत्व में टीयू वीन में इंस्टीट्यूट ऑफ मैटेरियल्स केमिस्ट्री की एक शोध टीम ने (फोटो) इलेक्ट्रोकैटलिटिक जल विभाजन के लिए टिकाऊ, प्रवाहकीय और उत्प्रेरक रूप से सक्रिय हाइब्रिड फ्रेमवर्क सामग्री बनाने के लिए एक नया सिंथेटिक दृष्टिकोण विकसित किया है।
झरझरा धातु-कार्बनिक ढाँचा उत्प्रेरक
हाइड्रोजन जैसे टिकाऊ ऊर्जा वाहकों के लिए प्रौद्योगिकियों का विकास आवश्यक है। हाइड्रोजन (एच) का उत्पादन करने का एक आशाजनक तरीका2) पानी को एच में विभाजित करने से है2 और ऑक्सीजन (O2), या तो विद्युत रासायनिक रूप से या प्रकाश का उपयोग करके, या दोनों – एक पथ जिसका टीम अनुसरण करती है। हालाँकि, इस प्रक्रिया के लिए एक उत्प्रेरक की आवश्यकता होती है जो बिना उपभोग किए प्रतिक्रिया को तेज कर देता है। उत्प्रेरक के लिए मुख्य मानदंडों में पानी के अणुओं के अवशोषण और विभाजन के लिए एक बड़ा सतह क्षेत्र और दीर्घकालिक उपयोग के लिए स्थायित्व शामिल है।
जिओलिटिक इमिडाज़ोलेट फ्रेमवर्क (ज़ेडआईएफ), आणविक इंटरफेस और कई छिद्रों के साथ संकर कार्बनिक/अकार्बनिक सामग्रियों का एक वर्ग, उत्प्रेरक के रूप में पानी के लिए रिकॉर्ड सतह क्षेत्र और पर्याप्त सोखना साइट प्रदान करता है। इनमें एकल धातु आयन होते हैं, जैसे कोबाल्ट आयन, जो विशिष्ट कार्बनिक अणुओं से जुड़े होते हैं, जिन्हें लिगैंड कहा जाता है, जिसे समन्वय बंधन कहा जाता है। पारंपरिक ZIF में केवल एक ही प्रकार का कार्बनिक लिगैंड होता है। डोमिनिक एडर कहते हैं, “इन ZIF में अक्सर दीर्घकालिक अनुप्रयोग सुनिश्चित करने के लिए इलेक्ट्रोकैटलिटिक स्थितियों के तहत पानी में स्थिरता की कमी होती है। इसके अलावा, उनकी कम इलेक्ट्रॉनिक चालकता भी इलेक्ट्रोकैटलिटिक अनुप्रयोगों में उनकी प्रभावशीलता को सीमित करती है।”
इन चुनौतियों का समाधान करने के लिए, टीम ने दो या दो से अधिक कार्बनिक लिगेंड का उपयोग करके ZIF को डिजाइन करने का एक तरीका विकसित किया है। अध्ययन के प्रमुख लेखक ज़ियाओ हुआंग बताते हैं, “हमें दोनों लिगेंड्स को इस तरह से मिलाने में सावधानी बरतने की ज़रूरत है जिससे मूल ZIF संरचना को संरक्षित करते हुए पूरे ढांचे में एक समान वितरण हो सके।” इसलिए, टीम ने लिगैंड संयोजनों और प्रक्रिया मापदंडों की एक श्रृंखला की व्यापक जांच की और अंततः सबसे उपयुक्त लिगैंड जोड़ी की पहचान करने में सक्षम हुई।
दो कार्बनिक लिगेंड्स के मिश्रण से सहक्रियात्मक लाभ
लेखकों ने पाया कि इस संशोधन ने ZIF स्थिरता में काफी सुधार किया है, जिससे इलेक्ट्रोकैटलिटिक जल विभाजन के दौरान इसकी स्थायित्व कुछ मिनटों से कम से कम एक दिन तक बढ़ गई है। सेंट्रल चाइना नॉर्मल यूनिवर्सिटी के सहयोग से कम्प्यूटेशनल सिद्धांत द्वारा समर्थित प्रयोगात्मक स्पेक्ट्रोस्कोपिक और सूक्ष्म तकनीकों की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग करके गहन जांच के माध्यम से, टीम ने देखा कि दो लिगेंड के सटीक मिश्रण ने सहक्रियात्मक रूप से कोबाल्ट धातु के साथ समन्वय बंधन को मजबूत किया। परिणामस्वरूप, (फोटो)इलेक्ट्रोकैटलिटिक परीक्षणों के दौरान झरझरा ढाँचा ढह नहीं गया। “इसके बजाय, हमने देखा कि प्रतिक्रिया के कुछ ही मिनटों के बाद, ZIF नैनोकणों की सतह पर कोबाल्ट ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड से बनी कुछ नैनोमीटर की एक बहुत पतली फिल्म बन गई, जिसने आगे की गिरावट और पतन को रोक दिया,” हुआंग ज़ियाओ कहते हैं .
इसके अतिरिक्त, दो लिगेंड्स के संयोजन ने ZIF सामग्री की चालकता को दस गुना बढ़ा दिया है, जिसके परिणामस्वरूप ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (OER) दर भी दस गुना बढ़ गई है। डोमिनिक एडर बताते हैं और आगे कहते हैं, “सिमुलेशन से पता चला कि दो लिगैंड एक सहक्रियात्मक तरीके से बातचीत करते हैं, जिससे पूरी सामग्री में मोबाइल चार्ज वाहक का उच्च घनत्व बनता है,” हालांकि हमें इस नई रणनीति के साथ कुछ सुधारों की उम्मीद थी, लेकिन हम इससे आश्चर्यचकित थे। ZIF के (फोटो)इलेक्ट्रोकैटलिटिक प्रदर्शन को बढ़ाया।”
भविष्य की संभावनाएँ और व्यापक अनुप्रयोग
टीम अब अन्य ZIF के साथ-साथ मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (MOF) के लिए इस बहुमुखी दृष्टिकोण की खोज कर रही है, जिसमें इलेक्ट्रोकैटलिटिक और (फोटो) इलेक्ट्रोकैटलिटिक अनुप्रयोगों में स्थिरता और चालकता की कमी है। यह अभिनव दृष्टिकोण उत्प्रेरक, संवेदन और सौर ऊर्जा रूपांतरण प्रौद्योगिकियों के लिए उन्नत सामग्रियों को डिजाइन करने की रोमांचक संभावनाएं खोलता है, जो हमें वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के करीब ले जाता है।
मूल प्रकाशन
लिगैंड इंजीनियरिंग इन-सीटू सतह पुनर्निर्माण के माध्यम से जिओलिटिक इमिडाज़ोलेट फ्रेमवर्क की इलेक्ट्रोकैटलिटिक गतिविधि और स्थिरता को बढ़ाती है (फोटो)। प्रकृति संचार. https://doi.org/10.1038/s41467'024 -53385-0
