सवार्फ़ एम्बेडेड के साथ पानी को विभाजित करके हाइड्रोजन उत्पन्न करना

हाइड्रोजन और इलेक्ट्रोलिसिस लागत

Hydrogen is a promising fuel for a green economy, from transportation to energy storage, and may be the only realistic carbon-free alternative fuel for many industries like shipping and air flight.

एक प्रमुख कारक जो हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था के उदय को रोक रहा है, वह लागत है, विशेष रूप से हाइड्रोजन उत्पादन की लागत।

ग्रीन हाइड्रोजन (नवीकरणीय ऊर्जा से) मुख्यतः इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा उत्पन्न होता है, जिसके लिए बहुत अधिक ऊर्जा और उत्प्रेरकों की आवश्यकता होती है। ऐसे उत्प्रेरक आमतौर पर महंगे होते हैं, और अधिकांश मामलों में प्लेटिनम जैसे धातुओं पर निर्भर होते हैं। जितना अधिक प्लेटिनम उपयोग किया जाता है, इलेक्ट्रोलाइज़र उतना ही महंगा हो जाता है।

प्लेटिनम जैसी धातुएँ न केवल महंगी हैं, बल्कि अत्यंत दुर्लभ भी हैं और यदि हाइड्रोजन को ऊर्जा स्रोत के रूप में बड़े पैमाने पर अपनाया जाता है तो उनकी आपूर्ति में कमी आ सकती है।

So, it was important news that researchers announced a drastic reduction in the catalyst requirement for electrolysis.

“We are able to produce hydrogen from water using only a tenth of the amount of platinum loading compared to state-of-the-art commercial catalysts.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

सवार्फ़ (स्क्रैप मेटल) के साथ सस्ती इलेक्ट्रोलिसिस

This discovery was made by researchers at the University of Nottingham, UK, and published in the Journal of Material Chemistry, under the title “स्क्रैप मेटल से अत्यधिक कुशल इलेक्ट्रोड तक: हाइड्रोजन उत्पादन के लिए Pt और Co के प्रभावी उपयोग के लिए सवार्फ़ की नैनोटेक्सचर सतह का उपयोग”.

प्रारंभिक निष्कर्ष नैनोस्तर पर सवार्फ़ का विश्लेषण करने से प्राप्त हुए। सवार्फ़ स्क्रैप मेटल के स्पायरल होते हैं जो स्टेनलेस स्टील, टाइटेनियम या निकेल मिश्रधातु जैसे धातु को मशीन करने पर अपशिष्ट के रूप में उत्पन्न होते हैं। यूके में ही उद्योग हर साल लाखों टन धातु अपशिष्ट उत्पन्न करते हैं।

स्रोत: Nottingham University

जब इन सवार्फ़ का इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से विश्लेषण किया गया, तो शोधकर्ताओं ने पाया कि ये धातु अपशिष्ट उत्पाद चिकने नहीं बल्कि उनमें केवल कुछ दस नैनोमीटर चौड़ी खाइयाँ और रिज़ होते हैं।

ये अत्यंत जटिल संरचनाएँ और विशाल संपर्क सतहें हाइड्रोजन उत्पादन के लिए इलेक्ट्रोलिसिस में उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोकैटलिस्ट के लिए आदर्श सब्सट्रेट बनेंगी।

स्रोत: Journal Of Material Chemistry

सवार्फ़ पर चुंबकीय प्लेटिनम वर्षा

To add platinum atoms to the swarf, the researchers used a technique called मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग. This is a technique used in semiconductor production to deposit an ultra-thin film of metal, thanks to powerful magnetic fields.

स्रोत: Korvus Tech

This method “rains” platinum atoms upon the swarf, and deposits them in the nanometer-sized grooves and ridges.

“By spreading just 28 micrograms of the precious metal over 1 cm² of the swarf, we were able to create a laboratory-scale electrolyzer that operates with 100% efficiency and produces 0.5 liters of hydrogen gas per minute just from a single piece of swarf.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

This method allowed for the creation of 2 types of hydrogen‑generating electrocatalysts:

• टाइटेनियम सवार्फ़ जिसमें प्लेटिनम परमाणु उत्प्रेरक के रूप में होते हैं, हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन (HES) के लिए।
• निकेल सवार्फ़ जिसमें कोबाल्ट परमाणु उत्प्रेरक के रूप में होते हैं, ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन (OER) के लिए।

स्रोत: Journal Of Material Chemistry

The Nottingham researchers are now working with the company AqSorption to scale up the technology.

हाइड्रोजन नवाचारों को एक साथ लाना

नए उत्प्रेरक प्रतिमान

The building of the hydrogen economy will require that every step of the hydrogen production and distribution chain become as efficient as possible.

हाल ही तक, प्लेटिनम और कोबाल्ट-आधारित उत्प्रेरकों की दुर्लभता और उच्च लागत के कारण वैकल्पिक उत्प्रेरकों की खोज आवश्यक थी। उदाहरण के लिए, हमने “निकेल-आधारित इलेक्ट्रोलिसिस के साथ हाइड्रोजन उत्पादन में प्रगति” में निकेल नैनोरॉड्स के उपयोग की संभावना पर चर्चा की और “ग्रीन हाइड्रोजन ग्रे को बदलने के लिए तैयार है क्योंकि नए इलेक्ट्रोकैटलिस्ट उत्पादन लागत को प्रभावी बनाते हैं” में रूथेनियम, सिलिकॉन और टंगस्टन (RuSiW) जैसे वैकल्पिक उत्प्रेरकों पर चर्चा की।

सवार्फ़ के उपयोग की खोज इन नए उत्प्रेरकों की आवश्यकता को समाप्त कर सकती है।

शायद इन नवाचारों को मिलाकर और अधिक कुशल नए प्रकार के उत्प्रेरक बनाए जा सकते हैं। वैकल्पिक रूप से, अब जबकि आवश्यक प्लेटिनम की मात्रा को 10 गुना घटाया जा सकता है, प्लेटिनम नैनोरॉड्स का उपयोग करके अत्यधिक उच्च उत्प्रेरक दक्षता प्राप्त करना एक विकल्प हो सकता है।

हाइड्रोजन तकनीक में सुधार और अमोनिया

This will likely combined with other innovations, like more efficient storage of hydrogen as discussed in “हाइड्रोजन अब ऊर्जा स्रोत के रूप में अधिक आकर्षक हो गया है कंटेनमेंट ब्रेकथ्रू के माध्यम से“. Efficient conversion of hydrogen into power as discussed in “क्या बैटरी सेल्स केवल हाइड्रोजन फ्यूल सेल्स के पूर्ववर्ती हैं? इलेक्ट्रिक वाहनों की वास्तविक अगली पीढ़ी?”.

Finally, the high-efficiency, low-cost hydrogen electrolysis, storage, and utilization could be combined with mass usage of ammonia as a fuel, transport, and long-term storage form of hydrogen, as discussed in “ग्रीन अमोनिया के माध्यम से वैश्विक शिपिंग लेन को डिकार्बनाइज़ करना” and “अमोनिया उत्पादन पर्यावरण के लिए अत्यधिक हानिकारक है – इंजीनियरों ने अभी एक स्वच्छ विधि विकसित की है”.

हाइड्रोजन-केंद्रित कंपनियां

1. Sibanye Stillwater

हाइड्रोजन उत्पादन के लिए सवार्फ़ का उपयोग प्लेटिनम-आधारित इलेक्ट्रोलिसिस को आर्थिक रूप से व्यावहारिक बनाकर ग्रीन हाइड्रोजन के बड़े पैमाने पर अपनाने की संभावनाओं को नाटकीय रूप से बढ़ा सकता है।

यह प्लेटिनम बाजार के लिए एक विशाल उछाल हो सकता है, जो हाल के वर्षों में दबाव में रहा है।

प्लेटिनम के कम प्रदर्शन का एक मुख्य कारण इसका ईंधन कारों और ट्रकों में कैटालिटिक कन्वर्टर की मांग पर अत्यधिक निर्भर होना था। जब दुनिया इलेक्ट्रिक वाहनों की ओर बढ़ रही है, तो इस धातु की मांग की व्यावहारिकता पर सवाल उठ रहे थे।

स्रोत: Sibanye Stillwater [securities_stock_price_tag symbol="SBSW" exchange="NYSE"]

वैकल्पिक रूप से, यदि एयरोस्पेस उद्योग के स्क्रैप मेटल का उपयोग करके प्लेटिनम-आधारित इलेक्ट्रोलिसिस हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था का केंद्र बन जाता है, तो आने वाले दशकों के लिए प्लेटिनम की मांग सुनिश्चित है।

दक्षिण अफ्रीकी Sibanye Stillwater विश्व के सबसे बड़े प्लेटिनम उत्पादकों में से एक है। यह देश विश्व के 80% प्लेटिनम का उत्पादन करता है, और Sibanye Stillwater इस उत्पादन का एक चौथाई हिस्सा जिम्मेदार है।

स्रोत: Mining Technology

यह पैलेडियम, रोडियम और रूथेनियम जैसे प्लेटिनम मेटल ग्रुप तत्वों का भी उत्पादक है। वर्तमान में यह सोने और बैटरी धातु बाजारों में प्रवेश करने के लिए विविधीकरण कर रहा है।

स्रोत: Sibanye Stillwater

प्लेटिनम बाजार को EVs बनाम ICE (इंटरनल कॉम्बशन इंजन) के अपनाने पर चर्चा ने नियंत्रित किया है। प्लेटिनम और अन्य प्लेटिनम मेटल ग्रुप तत्वों की हाइड्रोजन इलेक्ट्रोलिसिस के उपयोग में तेज़ नवाचार के साथ, यह बदल सकता है।

प्लेटिनम अधिकांश फ्यूल सेल डिज़ाइनों में भी आवश्यक है जो हाइड्रोजन को बिजली में परिवर्तित करते हैं। इसलिए समग्र रूप से, हाइड्रोजन तकनीक में हुई प्रगति, जिसमें सवार्फ़-आधारित इलेक्ट्रोलिसिस भी शामिल है, प्लेटिनम-केंद्रित खनिकों जैसे Sibanye Stillwater को लाभ पहुंचाएगी।

2. Ballard Power Systems Inc.

Ballard एक फ्यूल सेल निर्माता है, और 1993 में अपने पहले फ्यूल सेल बस के उत्पादन के साथ इस तकनीक का अग्रणी रहा है।

कंपनी भारी-ड्यूटी बाजारों पर केंद्रित है: बसें, ट्रक, ट्रेन/ट्राम, जहाज, खनन/निर्माण, और पावर। जबकि बसें व्यवसाय का मुख्य भाग रही हैं, कंपनी उम्मीद करती है कि 2025 तक ट्रक एक प्रमुख व्यवसायिक खंड बनेंगे। यह भी अनुमान लगाती है कि यूरोप उसका मुख्य बाजार बना रहेगा (50-60%), उसके बाद उत्तर अमेरिका (25%)।

ट्रकिंग फ्यूल सेल्स के बढ़ते रहने की उम्मीद है और 2030 में यह $7.5 बिलियन का बाजार होगा (कुल $195 बिलियन TAM में से), जो सभी अन्य हाइड्रोजन/फ्यूल सेल अनुप्रयोगों के संयुक्त आकार के बराबर है। यह वृद्धि नई तकनीकों के कारण हाइड्रोजन उत्पादन की कीमतों में गिरावट से तेज़ हो सकती है।

स्रोत: Ballard

उच्च शक्ति की आवश्यकता और तेज़ चार्जिंग की जरूरत के कारण, भारी-ड्यूटी वाहन हल्के वाहनों जैसे कारों की तुलना में हाइड्रोजन और फ्यूल सेल्स के लिए एक अच्छा बाजार रहे हैं। यह रेल और ट्रॉली बसों के लिए केटेनेरी वायर की आवश्यकता को भी कम करता है, और लंबी दूरी के परिवहन के लिए तेज़ रीचार्जिंग प्रदान करता है।

स्रोत: Ballard

कंपनी अमोनिया से भी परिचित है, उदाहरण के तौर पर एक हालिया अनुबंध के साथ Amogy को अपने “अमोनिया-से-शक्ति प्लेटफ़ॉर्म” के लिए फ्यूल सेल्स प्रदान करने के लिए, जो अनोखी अमोनिया क्रैकिंग तकनीक पर निर्भर करता है।

जबकि इलेक्ट्रिक वाहन कार बाजारों को जल्दी से जीतने की संभावनाएँ रखते हैं, भारी वाहन डिकार्बोनाइज़ करना अधिक कठिन है। इस क्षेत्र में अपनी स्थापित नेतृत्व के साथ, Ballard हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था की नीति धक्का से प्रमुख लाभार्थी बन जाएगा।

उत्प्रेरकों में प्रगति के कारण हाइड्रोजन उत्पादन तेजी से सस्ता हो रहा है, जिससे हाइड्रोजन-संचालित वाहनों के ईंधन की लागत में यांत्रिक रूप से कमी आती है। भू-राजनीतिक तनावों और बढ़ते कार्बन टैक्स के कारण तेल की कीमतों में वृद्धि के साथ, यह हाइड्रोजन के पक्ष में संतुलन को बदल सकता है, विशेष रूप से उन वाहनों के लिए जिन्हें अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है और अधिक माइलेज चलाते हैं (ट्रक, बस आदि)।