उच्च-प्रदर्शन AEM इलेक्ट्रोलाइज़र्स के लिए निकल सल्फाइड्स की इलेक्ट्रॉनिक संरचना अभियांत्रिकी

आयन एक्सचेंज मेम्ब्रेन वॉटर इलेक्ट्रोलाइज़र (AEMWEs) किफायती ग्रीन हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एक आशाजनक समाधान के रूप में उभर रहे हैं।

निकल सल्फाइड इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट्स में रणनीतिक इलेक्ट्रॉनिक-संरचना मॉड्यूलेशन ऑक्सीजन और हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन के बीच गतिशील कार्यात्मक स्विचिंग संभव होती है, जिससे व्यावहारिक AEM इलेक्ट्रोलाइज़र्स में वाणिज्यिक प्लैटिनम-रुथेनियम प्रणालियों के समान स्टैक-स्तरीय प्रदर्शन प्राप्त होता है।

आयन एक्सचेंज मेम्ब्रेन वॉटर इलेक्ट्रोलाइज़र (AEMWEs) किफायती ग्रीन हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एक प्रभावी प्लेटफॉर्म के रूप में उभर रहे हैं। ये क्षारीय प्रणालियों की सामग्री लचीलापन (materials flexibility) को मेम्ब्रेन-आधारित उपकरणों के कॉम्पैक्ट डिज़ाइन के साथ जोड़ते हैं। हालांकि, एक प्रमुख चुनौती यह है कि ऐसे कुशल और टिकाऊ गैर-प्लैटिनम समूह धातु (non-PGM) इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट विकसित किए जाएँ, जो औद्योगिक स्तर की धारा घनता (current density) को बनाए रख सकें।

प्लैटिनम और रुथेनियम हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन (HER) और ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन (OER) अभिक्रियाओं के लिए उत्कृष्ट उत्प्रेरक हैं, लेकिन उनकी दुर्लभता और उच्च लागत बड़े पैमाने पर उपयोग को सीमित करती है।

सीएसआईआर-राष्ट्रीय रासायनिक प्रयोगशाला में डॉ. सेल्वराज के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने यह दिखाया है कि निकल सल्फाइड्स की अंतर्निहित अस्थिरता—जो OER उत्प्रेरकों का एक आशाजनक वर्ग है, को रणनीतिक इलेक्ट्रॉनिक-संरचना अभियांत्रिकी के माध्यम से दूर किया जा सकता है। उनका दृष्टिकोण न केवल कठोर इलेक्ट्रोलाइज़र परिस्थितियों में सामग्री को स्थिर बनाता है, बल्कि उसी उत्प्रेरक को HER और OER दोनों में उत्कृष्ट प्रदर्शन करने में सक्षम बनाता है, जिससे यह वाणिज्यिक प्लैटिनम-रुथेनियम प्रणालियों के तुलनीय प्रदर्शन प्राप्त करता है।

निकल सल्फाइड्स को लंबे समय से क्षारीय वातावरण में OER उत्प्रेरकों के रूप में संभावनाशील माना जाता रहा है। हालांकि, इलेक्ट्रोलाइज़र स्टैक परिस्थितियों—जैसे उच्च तापमान, उच्च धारा घनता और निरंतर संचालन—के तहत पारंपरिक निकल सल्फाइड्स में सल्फर का क्षरण (leaching) और संरचनात्मक गिरावट होती है, जिससे प्रदर्शन में कमी आती है।

इन सामग्रियों को छोड़ने के बजाय, डॉ. सेल्वराज की टीम ने यह प्रदर्शित किया कि उनकी अंतर्निहित संचालन संबंधी समस्या को सुनियोजित इलेक्ट्रॉनिक-संरचना अभियांत्रिकी के माध्यम से प्रभावी रूप से हल किया जा सकता है।

इस रणनीति का केंद्र एक हाइब्रिड उत्प्रेरक का निर्माण है, जिसमें निकल सल्फाइड कोटिंग को एल्युमिनियम-आधारित धातु-कार्बनिक फ्रेमवर्क के साथ जोड़ा गया है, जो त्रि-आयामी (3D) छिद्रयुक्त निकल फोम पर समर्थित है।

यह संरचना तैयार सामग्री में इंटरफेस पर आवेश स्थानीयकरण (interfacial charge localisation) उत्पन्न करती है, जिससे OER के दौरान अभिक्रिया मध्यवर्ती (reaction intermediates) स्थिर हो जाते हैं।

इसके परिणामस्वरूप, 100 mA cm⁻² की धारा घनता—जो व्यावहारिक इलेक्ट्रोलाइज़र संचालन के लिए महत्वपूर्ण है—पर केवल 322 mV का ओवरपोटेंशियल प्राप्त होता है।

इस कार्य का सबसे विशिष्ट पहलू एक नियंत्रित इलेक्ट्रो-रिडक्शन (electroreduction) चरण में निहित है, जो सतही अवस्था को मिलराइट (Millerite) NiS से Ni₃S₂ में परिवर्तित करता है। यह अवस्था परिवर्तन मूल रूप से इलेक्ट्रॉनिक संरचना को बदल देता है। जहाँ प्रारंभिक संरचना आवेश स्थानीयकरण (charge localization) को बढ़ावा देती है, जो OER के लिए अनुकूल है, वहीं परिवर्तित (reduced) अवस्था सतह पर बेहतर आवेश विस्थापन (charge delocalisation) प्रदर्शित करती है, जो HER की गतिशीलता (kinetics) के लिए अधिक उपयुक्त इलेक्ट्रॉनिक वातावरण प्रदान करती है।

यह योजनाबद्ध “कार्यात्मक परिवर्तन” (functional switching) एक ही सामग्री प्लेटफॉर्म को जल-विभाजन (water splitting) की दोनों अर्ध-अभिक्रियाओं में उत्कृष्ट प्रदर्शन करने में सक्षम बनाता है। अपनी रिड्यूस्ड अवस्था में, यह उत्प्रेरक -100 mA cm⁻² पर -80 mV का HER ओवरपोटेंशियल प्राप्त करता है, जो बिना प्लैटिनम के तेज हाइड्रोजन उत्पादन को दर्शाता है। घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (DFT) गणनाएँ इन प्रयोगात्मक परिणामों की पुष्टि करती हैं, यह दिखाते हुए कि इलेक्ट्रॉनिक पुनर्वितरण अवशोषण ऊर्जा (adsorption energetics) को संशोधित करता है और मध्यवर्ती प्रजातियों के अनुकूल बंधन को सक्षम बनाता है।

महत्वपूर्ण रूप से, ये प्रगति केवल हाफ-सेल मापों तक सीमित नहीं हैं। जब इसे एक पूर्ण AEM इलेक्ट्रोलाइज़र में संयोजित किया गया, तो यह नॉन-PGM उत्प्रेरक युग्म 1.49 V पर कार्य करता है, जो समान परिस्थितियों में 1.58 V की आवश्यकता वाले वाणिज्यिक प्लैटिनम-रुथेनियम मानक से बेहतर है। डिवाइस स्तर पर यह सुधार इलेक्ट्रॉनिक-संरचना नियंत्रण के व्यावहारिक महत्व को दर्शाता है।

स्केल-अप परीक्षणों ने इस डिज़ाइन की मजबूती को और स्पष्ट किया। 12.96 cm² के ज़ीरो-गैप सिंगल-सेल AEM स्टैक में, उच्च तापमान पर संचालन के दौरान धारा घनता 398 से बढ़कर 1062 mA cm⁻² तक पहुँची और 100 घंटों से अधिक समय तक स्थिर रही। इस प्रणाली ने 99% फैराडिक दक्षता, 100% हाइड्रोजन शुद्धता, 45.50 kWh प्रति किलोग्राम हाइड्रोजन की ऊर्जा खपत और 86.59% सेल दक्षता प्राप्त की। जो वाणिज्यिक उपयोग के लिए आवश्यक मानकों के करीब हैं।

इलेक्ट्रोलाइज़र में OER के लिए NSMA तथा HER के लिए rNSMA का कार्य-तंत्र (Mechanism)

पूर्व में, नॉन-PGM इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट्स के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के प्रयास मुख्यतः संरचना में बदलाव, नैनो-स्तरीय डिजाइन या सुरक्षात्मक कोटिंग्स पर केंद्रित रहे हैं। हालांकि, ये तरीके गतिविधि या स्थिरता में सुधार करते हैं, लेकिन अभिक्रिया ऊर्जा को प्रभावित करने वाले मूलभूत इलेक्ट्रॉनिक कारकों पर कम ध्यान देते हैं। इसके विपरीत, यह अध्ययन एक नई अवधारणा प्रस्तुत करता है—आवेश वितरण और फेज़ व्यवहार को नियंत्रित करके संचालन के दौरान अनुकूल (adaptive) उत्प्रेरक कार्यक्षमता प्राप्त करना।

यह अध्ययन दर्शाता है कि नियंत्रित इलेक्ट्रॉनिक स्थानीयकरण और विस्थापन (delocalisation) के माध्यम से एक ही सामग्री प्रणाली में OER और HER दोनों को अनुकूलित करने की यह क्षमता उत्प्रेरक डिज़ाइन के लिए एक नई दिशा प्रदान करती है। जैसे-जैसे हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियाँ वैश्विक स्तर पर विस्तार कर रही हैं, ऐसे इलेक्ट्रॉनिक मॉड्यूलेशन आधारित दृष्टिकोण महत्वपूर्ण कच्चे संसाधनों पर निर्भरता कम करने और टिकाऊ, उच्च-दक्षता वाले AEM इलेक्ट्रोलाइज़र्स को औद्योगिक स्तर तक पहुँचाने में सहायक सिद्ध हो सकते हैं।

इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट्स की इलेक्ट्रॉनिक संरचना के रणनीतिक डिज़ाइन द्वारा AEM इलेक्ट्रोलाइज़र-स्तरीय प्रदर्शन प्राप्त करना: गतिशील कार्यात्मक स्विचिंग को सक्षम बनाना

लेखक:
सोनू कुमार, तुषार सिंह वर्मा, कालीपेरुमल सेल्वराज

DOI:https://doi.org/10.1021/acscatal.5c07117