ऊर्जा
लौह उत्प्रेरक हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं को व्यावहारिक बनाते हैं
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हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाएँ: प्लेटिनम विकल्प के रूप में लौह उत्प्रेरक
हाइड्रोजन सिद्धांत रूप में एक हरे भविष्य के लिए आदर्श ईंधन हो सकता है: इसे नवीकरणीय बिजली से उत्पन्न किया जा सकता है, उपयोग के दौरान कोई प्रदूषक नहीं बनाता, और इसके उत्पादन के लिए केवल पानी की आवश्यकता होती है।
हालाँकि, हाइड्रोजन को पर्याप्त कम लागत पर उत्पादन करना चुनौतीपूर्ण रहा है। वैकल्पिक प्रणालियों, जैसे एक ही समय में मीठे पानी का सह-उत्पादन, कीमती धातुओं की आवश्यकता न रखने वाले नए हाइड्रोजन उत्प्रेरक, या फोटोउत्प्रेरण, की खोज की जा रही है।
हाइड्रोजन की व्यावसायिक व्यवहार्यता को कम करने वाला एक और चरण उपभोग स्तर पर है। जब इसे दहन इंजन (ईंधन इंजन के समान, लेकिन कम दक्षता वाला) में नहीं उपयोग किया जाता, तो ईंधन कोशिकाओं का उपयोग किया जाता है, जो आमतौर पर महंगे प्लेटिनम को उत्प्रेरक के रूप में आवश्यक बनाती हैं।
यह न केवल ईंधन कोशिकाओं को अधिक महंगा बनाता है, बल्कि हाइड्रोजन को ईंधन के रूप में व्यापक रूप से अपनाने में भी बाधा डाल सकता है, क्योंकि प्लेटिनम और पैलाडियम जैसी संबंधित धातुएँ पृथ्वी पर बहुत दुर्लभ हैं, जिससे उनकी उत्पादन में अचानक वृद्धि करना कठिन हो जाता है।
सौभाग्य से, विकल्प सामने आ रहे हैं, चीन के कई प्रमुख अनुसंधान संस्थानों के वैज्ञानिकों के काम के धन्यवाद: चीनी विज्ञान अकादमी, शेनझेन विश्वविद्यालय (चीन), साउथईस्ट विश्वविद्यालय (चीन), त्सिंगहुआ विश्वविद्यालय, बीजिंग रासायनिक प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय, सिटी यूनिवर्सिटी ऑफ हांगकांग, और शियामेन विश्वविद्यालय।
उन्होंने प्रतिष्ठित वैज्ञानिक जर्नल Nature में ईंधन कोशिकाओं के लिए एक नया लौह-आधारित उत्प्रेरक की खोज प्रकाशित की1, जिसका शीर्षक “वक्र समर्थन पर एकल‑परमाणु Fe उत्प्रेरकों द्वारा अम्लीय ऑक्सीजन कमी” है।
ईंधन कोशिकाएँ कैसे काम करती हैं
ईंधन कोशिकाओं के वे भाग जो हाइड्रोजन के उपभोग से बिजली उत्पन्न करते हैं, प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PEMs) हैं।
ईंधन कोशिकाएँ हाइड्रोजन (H2) को प्रोटॉनों (H+ आयन) + इलेक्ट्रॉनों में परिवर्तित करने के लिए उत्प्रेरित करके काम करती हैं, जिससे विद्युत धारा बनती है। जैसा कि पहले बताया गया, यह उत्प्रेरक पारंपरिक रूप से प्लेटिनम है, जो एक महंगी धातु है।
स्रोत: Wikipedia
इसके बजाय, चीनी वैज्ञानिकों ने एक नया उत्प्रेरक डिज़ाइन बनाया है, जिसे “आंतरिक सक्रियण, बाहरी सुरक्षा” कहा गया है, जो साधारण लौह को उत्प्रेरक के रूप में उपयोग करता है।
लौह-आधारित हाइड्रोजन उत्प्रेरक
ईंधन कोशिकाओं में लौह उत्प्रेरकों की चुनौतियाँ
ऑक्सीजन को पकड़ने (जिसे हम आमतौर पर “जंग” कहते हैं) और उसे हाइड्रोजन आयनों से जोड़ने में सक्षम लौह उत्प्रेरक का उपयोग करने का विचार नया नहीं है।
लेकिन अब तक यह अवांछित रासायनिक प्रतिक्रियाओं, विशेष रूप से ऑक्सीजनयुक्त प्रतिक्रिया मध्यवर्ती पदार्थों की मजबूत adsorption, और लौह परमाणुओं की धातु हटाने (डिमेटलाइजेशन) द्वारा बाधित रहा है। इसलिए या तो लौह परमाणु “ऑक्सीजन‑समृद्ध यौगिकों” से चिपक जाते हैं, या वे उत्प्रेरक के रूप में कार्य करने में असमर्थ हो जाते हैं।
इन अवांछित प्रतिक्रियाओं को रोकने के लिए, शोधकर्ताओं ने लौह उत्प्रेरक के लिए एक अनूठी नैनोस्ट्रक्चर बनाई।
नैनोस्ट्रक्चर वाले खोखले लौह उत्प्रेरक
परम्परागत लौह उत्प्रेरक ग्रेफीन या कार्बन समर्थन की बाहरी सतह पर निर्भर होते हैं, जिससे हाइड्रोजन के साथ वांछित प्रतिक्रियाओं के लिए उपलब्ध लौह की मात्रा सीमित हो जाती है।
इसके बजाय, उपयोग की गई विधि एकल‑परमाणु लौह उत्प्रेरक साइट के साथ एक आंतरिक वक्र सतह बनाने की थी।
इनमें से प्रत्येक साइट एक नैनो‑संकोचित खोखले बहु‑शैल संरचना (HoMS) में स्थित है। ये नैनो HoMS 2D कार्बन परत पर फैले हुए और बंधे होते हैं, जो ग्रेफीन के समान है।
स्रोत: Research Gate
नैनो खोखले कण लगभग 10 nm × 4 nm आकार के हैं, और कई शैलों से बने होते हैं जहाँ लौह परमाणु आंतरिक परतों में उच्च घनत्व पर केंद्रित होते हैं। सिंक्रोट्रॉन एक्स‑रे एब्जॉर्प्शन स्पेक्ट्रोस्कोपी ने दिखाया कि ये आंतरिक Fe परमाणु 57.9 % दर पर सक्रिय उत्प्रेरक अवस्था में हैं।
स्रोत: Research Gate
लौह उत्प्रेरकों के साथ प्रदर्शन वृद्धि
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| उत्प्रेरक प्रकार | अधिकतम शक्ति घनत्व (W/cm²) | स्थायित्व ( >85% दक्षता पर घंटे) | सामग्री लागत |
|---|---|---|---|
| प्लेटिनम | 0.55 | ~500 | बहुत अधिक |
| लौह (परम्परागत) | 0.30 | ~50 | कम |
| लौह (नया नैनोस्ट्रक्चर) | 0.75 | 300+ | बहुत कम |
नैनोस्ट्रक्चर ऑक्सीजनयुक्त प्रतिक्रिया मध्यवर्ती पदार्थों की बंधन शक्ति को कमजोर करता है, जिससे लौह‑आधारित उत्प्रेरकों की एक प्रमुख सीमा समाप्त हो जाती है।
स्रोत: Research Gate
यह हाइड्रॉक्सिल रेडिकल (•OH) के उत्पादन दर को भी कम करता है, जो एक अत्यधिक प्रतिक्रियाशील और हानिकारक अणु है और ऑक्सीजन‑हाइड्रोजन प्रतिक्रियाओं में हमेशा संभावित समस्या बनता रहता है।
अंतिम परिणाम एक लौह उत्प्रेरक का उपयोग करने वाली ईंधन कोशिका है, जो अन्य डिज़ाइनों की तुलना में अत्यधिक श्रेष्ठ है, दोनों अधिकतम शक्ति घनत्व और धारा घनत्व (नीचे लाल सितारे) के संदर्भ में, 1.0 बार H₂‑हवा के तहत 0.75 W cm⁻² की रिकॉर्ड उच्च शक्ति घनत्व के साथ।
स्रोत: Research Gate
यह उत्प्रेरक डिज़ाइन पिछले लौह‑आधारित उत्प्रेरकों की तुलना में भी अधिक टिकाऊ है, 300 घंटे से अधिक संचालन के बाद भी 86 % दक्षता बनाए रखता है।
स्रोत: Research Gate
निष्कर्ष
हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था तभी संभव होगी जब आर्थिक विचार हल हो जाएँ, आसान‑से‑उत्पादित उत्प्रेरकों के साथ, जो प्रचुर और सस्ते सामग्री पर निर्भर हों।
इस संदर्भ में, लौह, जो पृथ्वी पर सबसे अधिक उत्पादित और सस्ती धातुओं में से एक है, एक आदर्श उम्मीदवार होगा।
यह यह भी दर्शाता है कि समय के साथ दक्षता का अपेक्षाकृत तेज़ गिरावट (जिसे संभवतः पहले प्रयोगात्मक डिज़ाइन से सुधारा जा सकता है) कम समस्या होगी, और ईंधन कोशिका के उत्प्रेरक भाग को नियमित रूप से नए से बदल दिया जा सकता है, जबकि उपयोग किए गए को पुनर्चक्रित या उसकी मूल प्रदर्शन पर पुनःस्थापित किया जा सकता है।
ईंधन कोशिका प्रौद्योगिकी में निवेश
PLUG मूल्य चार्ट
Plug Power (PLUG ) हरे हाइड्रोजन में एक अग्रणी है, जिसका ध्यान ईंधन कोशिकाओं पर है। कंपनी ने 300 से अधिक स्थानों में 72,000+ ईंधन कोशिकाओं की स्थापना की रिपोर्ट की है, और सामग्री‑हैंडलिंग बेड़ों में बड़ी उपस्थिति है। विशेष रूप से, इसकी ईंधन कोशिकाएँ 40,000 से अधिक फोर्कलिफ्टों को शक्ति प्रदान करती हैं और 2013 से राजस्व में 8 गुना वृद्धि हुई है।
यह हाइड्रोजन बुनियादी ढांचा बनाने में भी सक्रिय है, जैसे हाइड्रोजन उत्पादन, लॉजिस्टिक्स, उपयोगिता‑स्तर की विद्युत उत्पादन, और डिलीवरी।
स्रोत: Plug Power
कंपनी का लक्ष्य पैमाने को बढ़ाकर हाइड्रोजन उत्पादन लागत को $10/किग्रा से $4/किग्रा तक घटाना है, जबकि 2027 में उत्पादन को 14 गुना बढ़ाना है। इसे सभी बाहरी स्रोत हाइड्रोजन को भी प्रतिस्थापित करना चाहिए, जिसे अक्सर ग्राहकों को घाटे में पुनः बेचा जाता था।
2020 से उत्पादन क्षमता को 19 गुना बढ़ाने के लिए बड़े निवेशों के कारण, कंपनी अभी तक लाभदायक नहीं है, लेकिन अपनी स्वयं की हाइड्रोजन की आपूर्ति में प्रगति इससे बदलाव लाएगी।
कंपनी अपने समाधान को या तो सीधे गतिशीलता ईंधन या इलेक्ट्रिक वाहनों (EVs) के पूरक के रूप में देखती है, क्योंकि हाइड्रोजन EVs के चरम चार्जिंग समय के दौरान ग्रिड पर दबाव को कम करने की अनुमति देता है, जो दिन के दौरान नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन के समय से मेल नहीं खाता।
स्रोत: Plug Power
ईंधन कोशिकाओं के प्रमुख निर्माता के रूप में, Plug Power को हाइड्रोजन‑आधारित अर्थव्यवस्था की ओर बदलाव से बहुत लाभ होगा। एक सस्ता ईंधन कोशिका उत्प्रेरक उसके डिज़ाइनों में एकीकृत किया जा सकता है, और हाइड्रोजन वाहनों और ग्रिड‑स्तर ऊर्जा भंडारण की अपनाने की दर को बढ़ा सकता है।
इसलिए यह Plug Power को सामान्य रूप से हाइड्रोजन की ओर बदलाव पर दांव लगाने के लिए एक अच्छा स्टॉक बनाता है, क्योंकि हर बार जब हाइड्रोजन को उत्पादन, भंडारण, परिवहन या उपयोग करने का सस्ता तरीका आविष्कार किया जाता है, उसकी ईंधन कोशिकाओं की मांग में वृद्धि होती है।
नवीनतम Plug Power Inc (PLUG) स्टॉक समाचार और विकास
संदर्भित अध्ययन
1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. वक्र समर्थन पर एकल‑परमाणु Fe उत्प्रेरकों द्वारा अम्लीय ऑक्सीजन कमी. Nature 644, 668–675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6
