MXene Catalyst: ഗ്രീൻ ഹൈഡ്രജൻ, സോളാർ ഡീസാലിനേഷൻ, ഐഐടി ഗുവാഹത്തി

വാർത്തകളിൽ ഇടംനേടിയത് എന്തുകൊണ്ട്?

സൂര്യപ്രകാശം ഉപയോഗിച്ച് കാര്യക്ഷമമായി ഹൈഡ്രജൻ ഉത്പാദിപ്പിക്കാനും (hydrogen generation) കടൽവെള്ളം ശുദ്ധീകരിക്കാനും (seawater purification) കഴിയുന്ന മാക്സീൻ (MXene) അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഒരു പദാർത്ഥം ഇന്ത്യൻ ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് ടെക്നോളജി (IIT) ഗുവാഹത്തിയിലെ ഗവേഷകർ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തു. ഈ ഡ്യുവൽ-ഫംഗ്ഷൻ കാറ്റലിസ്റ്റ് (dual‑function catalyst) സുസ്ഥിര ഊർജ്ജത്തിന്റെയും (sustainable energy) ശുദ്ധമായ കുടിവെള്ളത്തിന്റെയും ഇരട്ട വെല്ലുവിളികളെ അഭിസംബോധന ചെയ്യുന്നു.

പശ്ചാത്തലം

2011 ൽ കണ്ടെത്തിയ ദ്വിമാന പദാർത്ഥങ്ങളുടെ (two-dimensional materials) ഒരു കുടുംബമാണ് മാക്സീനുകൾ (MXenes). MAX ഫേസ് എന്നറിയപ്പെടുന്ന ഒരു ബൾക്ക് പ്രീകർസറിൽ (bulk precursor) നിന്ന് ലെയറുകൾ എച്ചിംഗ് (etching) ചെയ്താണ് ഇവ സാധാരണയായി നിർമ്മിക്കുന്നത്. അവയ്ക്ക് M_n+1X_nT_x എന്ന പൊതുവായ ഫോർമുല ഉണ്ട്, അവിടെ M ഒരു ആദ്യകാല ട്രാൻസിഷൻ മെറ്റലും (transition metal), X കാർബൺ അല്ലെങ്കിൽ നൈട്രജനുമാണ്, T ഓക്സിജൻ, ഹൈഡ്രോക്സിൽ അല്ലെങ്കിൽ ഫ്ലൂറിൻ പോലുള്ള ഉപരിതല ഫങ്ഷണൽ ഗ്രൂപ്പുകളെ (surface functional groups) പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. ഉയർന്ന വൈദ്യുത ചാലകത (electrical conductivity), മെക്കാനിക്കൽ ശക്തി (mechanical strength), ഹൈഡ്രോഫിലിസിറ്റി (hydrophilicity) എന്നിവയ്ക്ക് മാക്സീനുകൾ പേരുകേട്ടതാണ്, ഇത് ഊർജ്ജ സംഭരണത്തിനും ജല ശുദ്ധീകരണത്തിനും അനുയോജ്യമാക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, കാറ്റലൈസിസിനായി (catalysis) പരിമിതമായ സജീവ ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം (active surface area) ഉള്ളത് ഒരു വെല്ലുവിളിയായിരുന്നു.

ഐഐടി ഗുവാഹത്തി സംഘം നേടിയതെന്ത്?

• അൾട്രാലോ ഓവർപൊട്ടൻഷ്യൽ (Ultralow overpotential): ഈ മാക്സീൻ കാറ്റലിസ്റ്റ് വെറും 12 mV ന്റെ ഹൈഡ്രജൻ എവല്യൂഷൻ റിയാക്ഷൻ ഓവർപൊട്ടൻഷ്യൽ (hydrogen evolution reaction overpotential) നേടി, ഇത് വാണിജ്യ പ്ലാറ്റിനം/കാർബൺ ഇലക്ട്രോഡുകളേക്കാൾ മികച്ച പ്രകടനമാണ്. കുറഞ്ഞ ഊർജ്ജം ഉപയോഗിച്ച് ജലത്തെ ഹൈഡ്രജനും ഓക്സിജനുമായി വിഭജിക്കാൻ ഇതിന് കഴിയുമെന്നാണ് ഇതിനർത്ഥം.
• ഘടനാപരമായ മാറ്റങ്ങൾ (Structural modifications): ചാർജ് ട്രാൻസ്പോർട്ട് മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനും കൂടുതൽ സജീവമായ സൈറ്റുകൾ തുറന്നുകാണിക്കുന്നതിനുമായി ഗവേഷകർ ഈ മെറ്റീരിയലിനെ അൾട്രാ-തിൻ, റിബൺ പോലുള്ള ഘടനകളാക്കി (ribbon‑like structures) മാറ്റി. കാറ്റലിറ്റിക് പ്രവർത്തനം വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിനായി അവർ ഓക്സിജൻ ഇല്ലാത്ത സൈറ്റുകളിലേക്ക് റുഥേനിയം (ruthenium) ആറ്റങ്ങളെ ഡോപ്പ് ചെയ്യുകയും ചെയ്തു.
• ഡീസാലിനേഷൻ കഴിവ് (Desalination capability): ജലത്തിൽ പൊങ്ങിക്കിടക്കുന്നതും ഉപരിതല പാളി ബാഷ്പീകരിക്കാൻ സൂര്യപ്രകാശം ഉപയോഗിക്കുന്നതുമായ ഒരു ജാനസ് ഇവാപ്പറേറ്ററിലേക്ക് (Janus evaporator) കാറ്റലിസ്റ്റിനെ സംയോജിപ്പിച്ചു. ഇത് മണിക്കൂറിൽ ഒരു ചതുരശ്ര മീറ്ററിന് ഏകദേശം 3.2 കിലോഗ്രാം ബാഷ്പീകരണ നിരക്ക് (evaporation rate) നേടുകയും, ലവണങ്ങളും മാലിന്യങ്ങളും നീക്കം ചെയ്ത് അന്തർദേശീയ കുടിവെള്ള നിലവാരം പുലർത്തുന്ന ജലം ഉത്പാദിപ്പിക്കുകയും ചെയ്തു.
• കമ്പ്യൂട്ടേഷണൽ ഉൾക്കാഴ്ചകൾ (Computational insights): ഡിഫെക്റ്റ് എഞ്ചിനീയറിംഗും (defect engineering) മെറ്റൽ ഡോപ്പിംഗും (metal doping) എങ്ങനെ പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്തിയെന്ന് വിശദീകരിക്കാൻ അഡ്വാൻസ്ഡ് മോഡലിംഗ് സഹായിച്ചു, സമാന മെറ്റീരിയലുകളുടെ ഭാവി രൂപകൽപ്പനയ്ക്ക് ഇത് വഴികാട്ടുന്നു.

പ്രാധാന്യം

• സുസ്ഥിര ഹൈഡ്രജൻ: ജലത്തെ വിഭജിക്കാൻ ആവശ്യമായ ഊർജ്ജം കുറയ്ക്കുന്നതിലൂടെ, ഉപയോഗിക്കുമ്പോൾ വെള്ളം മാത്രം പുറത്തുവിടുന്ന ശുദ്ധമായ ഹൈഡ്രജൻ ഇന്ധനത്തിന്റെ (clean hydrogen fuel) ഉത്പാദനത്തെ കാറ്റലിസ്റ്റ് പിന്തുണയ്ക്കുന്നു.
• ചെലവുകുറഞ്ഞ ഡീസാലിനേഷൻ: മാക്സീൻ വസ്തുക്കൾ ഉപയോഗിച്ചുള്ള സൗരോർജ്ജ ഡീസാലിനേഷൻ (solar‑driven desalination) വിലയേറിയ അടിസ്ഥാന സൗകര്യങ്ങളോ ഉയർന്ന ഊർജ്ജ ഉപഭോഗമോ ഇല്ലാതെ ശുദ്ധമായ കുടിവെള്ളം ലഭ്യമാക്കും.
• വൈവിധ്യമാർന്ന ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ (Versatile applications): പുനരുപയോഗ ഊർജ്ജം, ജല ശുദ്ധീകരണം എന്നിവയിലും അതിനപ്പുറവും മാക്സീനിന്റെ സാധ്യതകളെ ഈ പഠനം എടുത്തുകാണിക്കുകയും, ദ്വിമാന പദാർത്ഥങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള കൂടുതൽ ഗവേഷണങ്ങളെ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

ഉപസംഹാരം

ഊർജ്ജം, ജലം തുടങ്ങിയ മേഖലകളിലെ പ്രധാന വെല്ലുവിളികളെ അഭിമുഖീകരിക്കാൻ നാനോ മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് എങ്ങനെ കഴിയുമെന്ന് ഐഐടി ഗുവാഹത്തിയുടെ മാക്സീൻ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള കാറ്റലിസ്റ്റ് തെളിയിക്കുന്നു. വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന ജനസംഖ്യയുടെ ആവശ്യങ്ങൾ നിറവേറ്റുന്നതോടൊപ്പം ഹരിത സമ്പദ്‌വ്യവസ്ഥയിലേക്ക് നീങ്ങാൻ ഇത്തരം കണ്ടുപിടുത്തങ്ങൾ ഇന്ത്യയെ സഹായിക്കും.

ഉറവിടം: DD News