સૂર્યપ્રકાશ અને પાણીના ઉપયોગથી સ્વચ્છ હાઇડ્રોજન ઇંધણ મેળવવાની નવી તકનીક: ઓરેગોન સ્ટેટ યુનિવર્સિટીના સંશોધકોની ક્રાંતિકારી શોધ
વૈશ્વિક સ્તરે આબોહવા પરિવર્તન (Climate Change) અને ગ્રીનહાઉસ ગેસ ઉત્સર્જન સામે લડવા માટે સ્વચ્છ ઊર્જાના સ્ત્રોતો શોધી કાઢવા એ સમગ્ર માનવજાત માટે અત્યંત મહત્વપૂર્ણ બની ગયું છે. આ દિશામાં મોટું સફળ કદમ ઉઠાવતા ઓરેગોન સ્ટેટ યુનિવર્સિટી (OSU) ના સંશોધકોએ સામગ્રી (મટિરિયલ્સ) નો એક એવો નવો પરિવાર વિકસાવ્યો છે, જે સૂર્યપ્રકાશનો સીધો ઉપયોગ કરીને પાણીમાંથી હાઇડ્રોજન વાયુ ઝડપથી અને અત્યંત કાર્યક્ષમ રીતે અલગ કરી શકે છે. આ શોધથી ભવિષ્યમાં સૌર ઊર્જાને ગ્રીન હાઇડ્રોજન ઇંધણમાં રૂપાંતરિત કરવાના નવા રસ્તા ખુલ્યા છે.
આ સંશોધન અમેરિકન કેમિકલ સોસાયટીના પ્રતિષ્ઠિત જર્નલમાં પ્રકાશિત થયું છે. OSU કોલેજ ઓફ સાયન્સના જાણીતા વૈજ્ઞાનિક કિરિયાકોસ સ્ટાયલિયાનોઉના નેતૃત્વ હેઠળની ટીમે આ અદ્યતન ‘ફોટોકેટાલિસ્ટ’ (Photocatalyst) તૈયાર કર્યું છે.
હાઇડ્રોજનનું મહત્વ અને ફોટોકેટાલિસ્ટની ભૂમિકા
હાઇડ્રોજન એ ભવિષ્યનું અત્યંત સ્વચ્છ અને અસીમ ક્ષમતા ધરાવતું ઇંધણ ગણાય છે. તેનો ઉપયોગ હાઇડ્રોજન ફ્યુઅલ સેલથી ચાલતી કારોમાં, એમોનિયા અને પ્લાસ્ટિક જેવા રસાયણોના ઉત્પાદનમાં તેમજ ધાતુ શુદ્ધિકરણની ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાઓમાં વ્યાપકપણે થાય છે.
પ્રક્રિયા સમજાવતા ડો. સ્ટાઈલિયાનોએ જણાવ્યું હતું કે, ઉત્પ્રેરક (Catalyst) એવો પદાર્થ છે જે પોતે કોઈ કાયમી રાસાયણિક ફેરફાર પામ્યા વિના પ્રક્રિયાના દરને અનેકગણો વધારી દે છે. નવી શોધાયેલી સામગ્રી એક ‘ફોટોકેટાલિસ્ટ’ તરીકે કામ કરે છે, જે સૂર્યપ્રકાશના કિરણોને શોષીને ઉચ્ચ ઊર્જા સ્તર પ્રાપ્ત કરે છે અને આ ઊર્જાનો ઉપયોગ પાણીના અણુઓને તોડીને હાઇડ્રોજન મુક્ત કરવાની પ્રક્રિયાને ઝડપી બનાવવા માટે કરે છે.
MOF અને સલ્ફર બોન્ડનું અનોખું વિજ્ઞાન
વૈજ્ઞાનિકોનું આ સંશોધન ‘મેટલ-ઓર્ગેનિક ફ્રેમવર્ક’ (MOF) તરીકે ઓળખાતા વિશેષ સ્ફટિકીય પદાર્થો પર આધારિત છે. MOF એ ધન ચાર્જ ધરાવતા ધાતુના આયનો અને કાર્બનિક લિંકર પરમાણુઓથી બનેલી નેનો-સાઇઝના છિદ્રો ધરાવતી રચના છે. વિજ્ઞાન જગતમાં લાખો શક્ય MOF માળખાં છે, જેમાંથી આશરે ૧,૦૦૦,૦૦૦ જેટલાનું સંશ્લેષણ સંશોધકો દ્વારા કરવામાં આવ્યું છે.
આ અભ્યાસ દરમિયાન સંશોધન ટીમે ‘BVR-19’ નામના ચોક્કસ MOF પર કામ કર્યું હતું. તેની સૌથી મોટી ખાસિયત એ છે કે તેમાં રહેલા સલ્ફાઇડ-થી-સલ્ફાઇડ બંધન પ્રકાશના સંપર્કમાં આવતા જ ક્ષણિક રીતે તૂટે છે અને પ્રતિક્રિયાશીલ સલ્ફર પ્રજાતિઓ ઉત્પન્ન કરે છે. સામાન્ય રીતે ઉત્પ્રેરક પ્રક્રિયા માટે મોંઘી ધાતુઓ પર આધાર રાખવો પડે છે, પરંતુ આ નવી સામગ્રી તેના સલ્ફર યુક્ત કાર્બનિક બિલ્ડીંગ બ્લોક્સનો ઉપયોગ કરીને પ્રકાશ ઊર્જા મેળવે છે અને ઇલેક્ટ્રોન વહન દ્વારા હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરે છે. આ સિવાય BVR-19 ઓરડાના સામાન્ય તાપમાને જલીય દ્રાવણમાં આપોઆપ બની જતું હોવાથી તેનું ઉત્પાદન પણ સરળ છે.
ગ્રીન હાઇડ્રોજનના ઉત્પાદન ખર્ચમાં ઘટાડાની આશા
હાલમાં પાણીના વિભાજન દ્વારા હાઇડ્રોજન મેળવવાની મોટાભાગની પદ્ધતિઓ ઇલેક્ટ્રોકેટાલિસિસ પર આધારિત છે, જેમાં વીજળીનો ઉપયોગ થાય છે. પરંપરાગત મિથેન-સ્ટીમ રિફોર્મિંગ પદ્ધતિથી કુદરતી ગેસમાંથી હાઇડ્રોજન મેળવવો સસ્તો (આશરે $૧.૫૦ પ્રતિ કિલો) પડે છે પરંતુ તેનાથી ભારે માત્રામાં કાર્બન ઉત્સર્જન થાય છે. તેની સરખામણીએ હાલમાં ગ્રીન હાઇડ્રોજનનો ઉત્પાદન ખર્ચ આશરે $૫ પ્રતિ કિલો જેટલો ઊંચો આવે છે.
વૈજ્ઞાનિક કિરિયાકોસ સ્ટાયલિયાનોઉ જેઓ OSU ની ‘મટિરિયલ્સ ડિસ્કવરી લેબોરેટરી’ (MaD Lab) નું સંચાલન કરે છે, તેમણે સ્પષ્ટ કર્યું કે આ સંશોધનથી મોંઘી ધાતુઓનો ઉપયોગ ઘટશે અને ગ્રીન હાઇડ્રોજનનો ઉત્પાદન ખર્ચ નોંધપાત્ર રીતે નીચો લાવવામાં મદદ મળશે. ધાતુના ઘટકોમાં જરૂરી ફેરફાર કરીને સૂર્યપ્રકાશ દ્વારા સ્વચ્છ ઇંધણ બનાવવાની વધુ કાર્યક્ષમ પ્રણાલીઓ ડિઝાઇન કરવા માટે આ સફળતા એક પરફેક્ટ બ્લૂપ્રિન્ટ પૂરી પાડે છે.
