लौह उत्प्रेरक हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं को व्यावहारिक बनाते हैं

हाइड्रोजन ईंधन सेल: प्लैटिनम के विकल्प के रूप में लौह उत्प्रेरक

सिद्धांततः हाइड्रोजन हरित भविष्य के लिए आदर्श ईंधन हो सकता है: इसे नवीकरणीय बिजली से उत्पादित किया जा सकता है, उपभोग करने पर यह कोई प्रदूषक उत्पन्न नहीं करता है, तथा इसके उत्पादन के लिए केवल जल की आवश्यकता होती है।

हालाँकि, कम लागत पर हाइड्रोजन का उत्पादन करना चुनौतीपूर्ण रहा है। वैकल्पिक प्रणालियाँ, जैसे एक ही समय में मीठे पानी का सह-उत्पादन, नए हाइड्रोजन उत्प्रेरक जिन्हें कीमती धातुओं की आवश्यकता नहीं होतीया, फोटोकैटलिसिस, का पता लगाया जा रहा है।

हाइड्रोजन की व्यावसायिक व्यवहार्यता को कम करने वाला एक और कदम उपभोग का चरण है। जब दहन इंजन (ईंधन इंजन के समान, कम दक्षता वाला) में इसका उपयोग नहीं किया जाता है, तो ईंधन कोशिकाओं का उपयोग किया जाता है, जिसके लिए आमतौर पर उत्प्रेरक के रूप में महंगे प्लैटिनम की आवश्यकता होती है।

इससे न केवल ईंधन सेल अधिक महंगे हो जाएंगे, बल्कि ईंधन के रूप में हाइड्रोजन को बड़े पैमाने पर अपनाने में भी बाधा उत्पन्न हो सकती है, क्योंकि प्लैटिनम और पैलेडियम जैसी संबंधित धातुएं पृथ्वी पर बहुत दुर्लभ हैं, जिससे उनके उत्पादन में वृद्धि हासिल करना कठिन हो जाएगा।

सौभाग्य से, देश के कई शीर्ष शोध संस्थानों में चीनी वैज्ञानिकों के काम की बदौलत विकल्प सामने आ रहे हैं: चीनी विज्ञान अकादमी, शेन्ज़ेन विश्वविद्यालय (चीन), दक्षिण पूर्व विश्वविद्यालय (चीन), सिंघुआ विश्वविद्यालय, बीजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ केमिकल टेक्नोलॉजी, सिटी यूनिवर्सिटी ऑफ हांगकांग और ज़ियामेन विश्वविद्यालय।

उन्होंने प्रकाशित किया¹ ईंधन कोशिकाओं के लिए एक नए लौह-आधारित उत्प्रेरक की खोज के बारे में प्रतिष्ठित वैज्ञानिक पत्रिका नेचर में शीर्षक के तहत बताया गया है,घुमावदार आधारों पर एकल-परमाणु Fe उत्प्रेरकों द्वारा अम्लीय ऑक्सीजन अपचयन".

ईंधन सेल कैसे काम करते हैं

ईंधन कोशिकाओं के वे भाग जो हाइड्रोजन की खपत से बिजली उत्पन्न करते हैं, प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (PEMs) कहलाते हैं।

ईंधन कोशिकाएं हाइड्रोजन (H) के रूपांतरण को उत्प्रेरित करके काम करती हैं₂) को प्रोटॉन (H+ आयन) + इलेक्ट्रॉनों में परिवर्तित करके विद्युत धारा उत्पन्न करता है। जैसा कि पहले बताया गया है, यह उत्प्रेरक पारंपरिक रूप से प्लैटिनम होता है, जो एक महंगी धातु है।

स्रोत: विकिपीडिया

इसके बजाय, चीनी वैज्ञानिकों ने एक नया उत्प्रेरक डिजाइन बनाया है, जिसे "आंतरिक सक्रियण, बाहरी सुरक्षा" के रूप में वर्णित किया गया है, जो उत्प्रेरक के रूप में साधारण लोहे पर निर्भर करता है।

लौह-आधारित हाइड्रोजन उत्प्रेरक

ईंधन कोशिकाओं में लौह उत्प्रेरक की चुनौतियाँ

एक लौह उत्प्रेरक का उपयोग करने का विचार, जो स्वाभाविक रूप से ऑक्सीजन को पकड़ने में सक्षम है (एक प्रवृत्ति जिसे हम आमतौर पर "जंग" के रूप में जानते हैं) और इसे हाइड्रोजन आयनों से जोड़ने में सक्षम है, नया नहीं है।

लेकिन अब तक, यह अवांछित रासायनिक प्रतिक्रियाओं, विशेष रूप से ऑक्सीजन युक्त प्रतिक्रिया मध्यवर्ती पदार्थों के प्रबल अवशोषण और लौह परमाणुओं के विधातुकरण के कारण बाधित रहा है। इसलिए या तो लौह परमाणु ऑक्सीजन युक्त यौगिकों से "चिपक" जाते हैं, या वे उत्प्रेरक के रूप में कार्य करने में असमर्थ हो जाते हैं।

इन अवांछित प्रतिक्रियाओं को रोकने के लिए, शोधकर्ताओं ने लौह उत्प्रेरक के लिए एक अद्वितीय नैनो संरचना बनाई।

नैनोसंरचित खोखले लौह उत्प्रेरक

पारंपरिक लौह उत्प्रेरक ग्राफीन या कार्बन आधार की बाहरी सतह पर निर्भर करते हैं, जिससे हाइड्रोजन के साथ वांछित प्रतिक्रियाओं के लिए उपलब्ध लौह की मात्रा सीमित हो जाती है।

इसके बजाय, प्रयुक्त विधि एकल-परमाणु लौह उत्प्रेरक स्थल के साथ एक आंतरिक वक्र सतह बनाना था।

इनमें से प्रत्येक स्थल एक नैनो-सीमित खोखली बहु-खोल संरचना (HoMS) में स्थित है। ये नैनो HoMS, ग्राफीन की तरह, एक द्वि-आयामी कार्बन परत पर फैले और उससे बंधे हुए हैं।

स्रोत: अनुसंधान गेट

नैनो खोखले कण लगभग 10 एनएम हैं × 4 नैनोमीटर आकार के, और कई कोशों से युक्त, जहाँ लौह परमाणु उच्च घनत्व पर आंतरिक परतों पर केंद्रित होते हैं। सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी से पता चला कि ये आंतरिक Fe परमाणु उत्प्रेरक रूप से सक्रिय अवस्था में 57.9% की दर से हैं।

स्रोत: अनुसंधान गेट

लौह उत्प्रेरकों के साथ प्रदर्शन में वृद्धि

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नैनो संरचना ऑक्सीजनयुक्त प्रतिक्रिया मध्यवर्ती की बंधन शक्ति को कमजोर कर देती है, जिससे लौह-आधारित उत्प्रेरकों की एक प्रमुख सीमा समाप्त हो जाती है।

स्रोत: अनुसंधान गेट

यह हाइड्रॉक्सिल रेडिकल (•OH) उत्पादन दर को भी कम करता है, जो एक बहुत ही प्रतिक्रियाशील और हानिकारक अणु है जो ऑक्सीजन-हाइड्रोजन प्रतिक्रियाओं में हमेशा एक संभावित समस्या होती है।

अंतिम परिणाम लौह उत्प्रेरक का उपयोग करने वाला एक ईंधन सेल है जो अन्य डिजाइनों की तुलना में मूल रूप से बेहतर है, दोनों चरम शक्ति घनत्व और वर्तमान घनत्व (नीचे लाल सितारे) के संदर्भ में, 0.75 बार H2-वायु के तहत 1.0 W cm−2 के रिकॉर्ड उच्च शक्ति घनत्व के साथ।

स्रोत: अनुसंधान गेट

यह उत्प्रेरक डिजाइन लौह-आधारित उत्प्रेरकों की पिछली पुनरावृत्ति की तुलना में अधिक टिकाऊ है, जो 86 घंटे से अधिक संचालन के बाद 300% दक्षता पर बना रहता है।

स्रोत: अनुसंधान गेट

निष्कर्ष

हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था तभी संभव होगी जब आर्थिक पहलुओं का समाधान हो जाएगा, तथा आसानी से उत्पादित होने वाले उत्प्रेरक प्रचुर मात्रा में तथा सस्ती सामग्री पर निर्भर होंगे।

इस संदर्भ में, लोहा, जो पृथ्वी पर सबसे अधिक उत्पादित और सबसे सस्ती धातुओं में से एक है, एक आदर्श उम्मीदवार होगा।

इसका अर्थ यह भी है कि समय के साथ दक्षता में अपेक्षाकृत तेजी से होने वाली गिरावट (जिसमें संभवतः पहले प्रायोगिक डिजाइन की तुलना में सुधार किया जा सकता है) कम समस्या होगी, तथा ईंधन सेल के उत्प्रेरक भाग को नियमित रूप से नए भाग से बदला जा सकेगा, तथा प्रयुक्त भाग को पुनःचक्रित किया जा सकेगा या उसके मूल प्रदर्शन के अनुसार पुनर्जीवित किया जा सकेगा।

ईंधन सेल प्रौद्योगिकी में निवेश

प्लग पावर इंक

प्लग पावर हरित हाइड्रोजन क्षेत्र में अग्रणी है, जिसका मुख्य ध्यान ईंधन कोशिकाओं पर है। कंपनी ने 72,000 से ज़्यादा स्थानों पर 300 से ज़्यादा ईंधन कोशिकाओं को स्थापित किया है, और सामग्री-प्रबंधन बेड़े में भी इसकी बड़ी उपस्थिति है। विशेष रूप से, इसके ईंधन कोशिकाओं से 40,000 से ज़्यादा फोर्कलिफ्ट चलते हैं और 8 से इसका राजस्व आठ गुना बढ़ा है।

यह हाइड्रोजन उत्पादन, लॉजिस्टिक्स, उपयोगिता-स्तरीय विद्युत उत्पादन और वितरण जैसे हाइड्रोजन अवसंरचना के निर्माण में भी सक्रिय है।

स्रोत: प्लग पावर

कंपनी का लक्ष्य हाइड्रोजन उत्पादन लागत को 10 डॉलर प्रति किलोग्राम से घटाकर 4 डॉलर प्रति किलोग्राम करना है, जबकि 14 तक उत्पादन को 2027 गुना बढ़ाना है। इसे बाहरी स्रोतों से प्राप्त हाइड्रोजन को भी प्रतिस्थापित करना होगा, जिसे अक्सर घाटे में ग्राहकों को बेचा जाता है।

19 से उत्पादन क्षमता को 2020 गुना बढ़ाने के लिए बड़े पैमाने पर निवेश के कारण, कंपनी अभी तक लाभदायक नहीं है, लेकिन अपने स्वयं के हाइड्रोजन स्रोत में प्रगति से इसमें बदलाव आना चाहिए।

कंपनी अपने समाधानों को या तो प्रत्यक्ष गतिशीलता ईंधन या ई.वी. के पूरक के रूप में देखती है, क्योंकि हाइड्रोजन ई.वी. के अधिकतम चार्जिंग समय के दौरान ग्रिड पर दबाव को कम करने में मदद करता है, जो दिन के दौरान नवीकरणीय ऊर्जा के उत्पादन की अवधि से मेल नहीं खाता है।

स्रोत: प्लग पावर

ईंधन कोशिकाओं के एक प्रमुख उत्पादक के रूप में, प्लग पावर को हाइड्रोजन-आधारित अर्थव्यवस्था की ओर बदलाव से बहुत लाभ होगा। एक सस्ता ईंधन सेल उत्प्रेरक इसके डिज़ाइनों में एकीकृत किया जा सकता है, और हाइड्रोजन वाहनों और ग्रिड-स्केल ऊर्जा भंडारण को अपनाने की दर को बढ़ावा दे सकता है।

इसलिए प्लग पावर सामान्य रूप से हाइड्रोजन की ओर रुख करने के लिए एक अच्छा स्टॉक है, क्योंकि जब भी हाइड्रोजन के उत्पादन, भंडारण, परिवहन या उपयोग के लिए कोई सस्ता तरीका ईजाद होता है, तो इसके ईंधन कोशिकाओं की मांग में वृद्धि होती है।

प्लग पावर इंक (PLUG) स्टॉक समाचार और विकास

संदर्भित अध्ययन

^{1. झाओ, वाई., वान, जे., लिंग, सी. एट अल। घुमावदार आधारों पर एकल-परमाणु Fe उत्प्रेरकों द्वारा अम्लीय ऑक्सीजन अपचयन। प्रकृति 644, 668-675 (2025)। https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}