Indian scientists discover catalyst for efficient hydrogen production।। भारतीय वैज्ञानिकों ने कुशलता से हाइड्रोजन उत्पादन के लिए उत्प्रेरक की खोज की

 

 

बेंगलुरु : 2024/03/09: वैज्ञानिकों ने एक नए उत्प्रेरक की पहचान की है जो यूरिया को कुशलतापूर्वक ऑक्सीकरण कर सकता है और यूरिया-सहायता वाले जल विभाजन द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन के लिए ऊर्जा की मांग को कम कर सकता है। इससे हरित ईंधन के बेहतर उत्पादन का मार्ग प्रशस्त हो सकता है।

 

जलवायु परिवर्तन को पलटने में हाइड्रोजन ऊर्जा के महत्व को समझते हुए, वैज्ञानिक समुदाय स्वच्छ ऊर्जा परिदृश्य में एक प्रमुख खिलाड़ी, हाइड्रोजन उत्पादन में क्रांति लाने के प्रयास तेज कर रहा है। जबकि कैथोड पर हाइड्रोजन का इलेक्ट्रोलाइटिक उत्पादन, और  एनोड (काउंटर इलेक्ट्रोड) पर ऑक्सीजन का उत्‍पादन स्वाभाविक रूप से स्वच्छ  और हरा-भरा है। विकास प्रतिक्रिया की ऊर्जा मांगों को पूरा करने में सहायक हागी।

 

ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया को अन्य एनोडिक प्रक्रियाओं जैसे कि यूरिया इलेक्ट्रो-ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया (यूओआर) के साथ बदलने से एक व्यवहार्य समाधान निकलता है। इसमें समग्र सेल क्षमता कम होती है। पानी में यूरिया मिलाने से, व्यावहारिक रूप से इलेक्ट्रोकेमिकल हाइड्रोजन उत्पादन के लिए ऊर्जा की मांग को लगभग 30% तक कम करना दिखाया गया है। यह न केवल विद्युत ऊर्जा इनपुट को कम करता है बल्कि, पानी से हाइड्रोजन उत्पादन की लागत को कम करता है,  साथ ही यूरिया को नाइट्रोजन, कार्बोनेट और पानी में परिवर्तित करते हुए ऊर्जा उत्पादन के साथ अपशिष्ट जल से यूरिया को पुनः प्राप्त करने का वादा भी करता है। इस प्रतिक्रिया के संभावित लाभों के बावजूद, अभी तक विकसित उत्प्रेरक COx जहर (यूओआर के उप-उत्पाद) के प्रति स्थिर रूप से संवेदनशील नहीं हैं, जिससे इस प्रक्रिया के उद्योग-स्तर के कार्यान्वयन में बाधाएं पैदा हो रही हैं।

 

सेंटर फॉर नैनो एंड सॉफ्ट मैटर साइंसेज (सीईएनएस), बेंगलुरु के वैज्ञानिकों की एक टीम - श्री निखिल एन. राव, डॉ. एलेक्स चंद्रराज और डॉ. नीना एस. जॉन ने एक गैर-उत्कृष्ट धातु उत्प्रेरक, Ni3+-समृद्ध का प्रदर्शन किया है। नियोडिमियम निकेलेट (एनडीएनआईओ3) धात्विक चालकता के साथ जो यूरिया को कुशलता से ऑक्सीकरण करता है, जिससे यूरिया-सहायता प्राप्त जल विभाजन द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन के लिए ऊर्जा की मांग कम हो जाती है।

 

यह जांच यूरिया इलेक्ट्रोलिसिस के लिए उच्च-वैलेंट नी-ऑक्साइड पर आधारित उच्च-सक्रिय और सहनशील उत्प्रेरक विकसित करने के लिए चल रही परियोजना के हिस्से के रूप में की गई थी, जो कि तत्कालीन विज्ञान और इंजीनियरिंग अनुसंधान बोर्ड (एसईआरबी), अब एएनआरएफ द्वारा समर्थित है। टीम ने यूओआर के लिए एक इलेक्ट्रोकैटलिस्ट के रूप में नियोडिमियम निकेलेट का उपयोग किया, और एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी, इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी, और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसी तकनीकों का उपयोग करके ऑपरेंडो (ऑपरेटिंग परिस्थितियों में) का प्रदर्शन किया, जिससे पुष्टि हुई कि उत्प्रेरक विशेष रूप से 'प्रत्यक्ष तंत्र' के माध्यम से प्रतिक्रिया चलाता है। '. इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से सक्रिय नियोडिमियम निकेलेट द्वारा प्रदर्शित प्रत्यक्ष तंत्र अपने न्यूनतम उत्प्रेरक अध:पतन और पुनर्निर्माण के लिए खड़ा है, जो यूओआर के प्रत्येक चक्र के बाद पुनर्जनन की आवश्यकता वाले अप्रत्यक्ष तंत्र के विपरीत है जो Ni2+-समृद्ध उत्प्रेरक जैसे NiO में प्रचलित है। उत्प्रेरक में बेहतर प्रतिक्रिया कैनेटीक्स (प्रतिक्रिया को तेज़ बनाना) और लंबे समय तक इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान बढ़ी हुई स्थिरता होती है, जो एक अच्छे इलेक्ट्रोकैटलिस्ट के गुण हैं।

 

COx जहरों द्वारा उत्पन्न चुनौती को संबोधित करने की दिशा में, जो यूओआर उत्प्रेरक को निष्क्रिय करने और उनके दीर्घकालिक इलेक्ट्रोलिसिस स्थायित्व से समझौता करने के लिए जाने जाते हैं, नियोडिमियम निकेलेट एक आशाजनक समाधान के रूप में उभरता है। COx जहरों के प्रति इसकी असाधारण सहनशीलता इसे उल्लेखनीय इलेक्ट्रोकैटलिटिक स्थिरता प्रदान करती है। इंडियन एसोसिएशन फॉर द कल्टीवेशन ऑफ साइंस (आईएसीएस), कोलकाता से डॉ. मौमिता मुखर्जी और प्रोफेसर अयान दत्ता के सहयोग से कम्प्यूटेशनल गणना प्रयोगात्मक निष्कर्षों को मान्य करती है।

 

एसीएस कैटालिसिस में प्रकाशित, उत्प्रेरक सामग्रियों पर प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक अनुसंधान प्रकाशित करने के लिए समर्पित एक पत्रिका, यह काम भविष्य के अध्ययनों को निर्देशित कर सकता है जिसका लक्ष्य NiOOH प्रजातियों की संख्या को बढ़ाना और इन प्रजातियों को Ni3+-समृद्ध सब्सट्रेट्स पर स्थिर करना है। लक्ष्य उत्प्रेरक में सक्रिय नी के कम द्रव्यमान लोडिंग के साथ बेहतर प्रदर्शन प्राप्त करना है, जो टिकाऊ और कुशल हाइड्रोजन उत्पादन की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।

 

Indian scientists discover catalyst for efficient hydrogen production

 

 

Bengaluru : 2024/03/09: Scientists have identified a new catalyst that can efficiently oxidize urea and lower the energy demand for hydrogen generation by urea-assisted water splitting thereby making way for improved production of the green fuel.  

 

Understanding the importance of hydrogen energy in reversing climate change, the scientific community is intensifying efforts to revolutionize hydrogen production, a key player in the clean energy landscape. Electrolytic generation of hydrogen at cathode, while inherently clean and green, has been hampered by the energy demands of the oxygen evolution reaction at the anode (counter electrode).  A viable solution emerges from replacing the oxygen evolution reaction with other anodic processes such as urea electro-oxidation reaction (UOR) possessing lesser overall cell potential. By adding urea to water, it has practically been shown to reduce the energy demand for electrochemical hydrogen production by about 30%. This not only reduces the electrical energy input and hence, the cost for hydrogen generation from water but also holds a promise for remediating urea from wastewater in conjunction with energy generation while converting urea into nitrogen, carbonate, and water. Despite the potential advantages of this reaction, the catalysts developed so far not stable vulnerable to COx poisons (by-products of UOR) posing barriers to industry-scale implementation of this process.

 

A team of scientists from Centre for Nano and Soft Matter Sciences (CeNS), Bengaluru – Mr. Nikhil N. Rao, Dr. Alex Chandraraj and Dr. Neena S. John, have demonstrated a non-noble metal catalyst, Ni3+-rich – Neodymium Nickelate (NdNiO3) with metallic conductivity that efficiently oxidizes urea, thereby lowering the energy demand for hydrogen generation by urea-assisted water splitting.

 

The investigation was taken up as part of an ongoing project to develop high-active and tolerant catalysts based on high-valent Ni-oxides for urea electrolysis, which is supported by the erstwhile Science and Engineering Research Board (SERB), now ANRF. The team used neodymium nickelate as an electrocatalyst for UOR, and using techniques such as X-ray absorption spectroscopy, electrochemical impedance spectroscopy, and Raman spectroscopy performed operando (under operating conditions), substantiated that the catalyst drives the reaction specifically through a ‘direct mechanism’. The direct mechanism exhibited by electrochemically activated neodymium nickelate stands out for its minimal catalyst degeneration and reconstruction, contrasting with the indirect mechanism requiring regeneration after each cycle of UOR that prevails in Ni2+-rich catalysts such as NiO. The catalyst has superior reaction kinetics (making the reaction faster), and enhanced stability during prolonged electrolysis, which are the attributes of a good electrocatalyst.

 

Towards addressing the challenge posed by COx poisons, which are known for deactivating UOR catalysts and compromising their long-term electrolysis durability, neodymium nickelate emerges as a promising solution. Its exceptional tolerance to COx poisons endows it with notable electrocatalytic stability. Computational calculations in collaboration with Dr. Moumita Mukherjee and Prof. Ayan Datta from Indian Association for the Cultivation of Science (IACS), Kolkata, validate the experimental findings.

 

Published in ACS Catalysis, a journal dedicated to publishing experimental and theoretical research on catalytic materials, this work could direct future studies aiming to enhance the number of NiOOH species and stabilize these species on Ni3+-rich substrates. The goal is to achieve improved performance with low mass loading of active Ni in the catalyst, marking a significant step towards sustainable and efficient hydrogen production.