बिजली की प्रेरणा से बना प्लाज़्मा‑इलेक्ट्रोकेमिकल रिएक्टर हमारे अमोनिया की जरूरतों को शून्य कार्बन फुटप्रिंट के साथ हल कर सकता है

अमोनिया अर्थव्यवस्था की राह खोजना

जैसे-जैसे नवीकरणीय ऊर्जा विकसित होती है, कुछ सीमाएँ स्पष्ट होती जा रही हैं। नवीकरणीय ऊर्जा की अस्थिरता के कारण ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता होती है, जो बैटरियों के रूप में हो सकता है, जैसा कि हमने अपने लेख “ऊर्जा भंडारण का भविष्य—यूटिलिटी‑स्केल बैटरियों की तकनीक” में खोजा था।

हालांकि, ऊर्जा की कुछ रूपों को विद्युतित करना बहुत कठिन है। उदाहरण के लिए, लंबी दूरी की नौसैनिक शिपिंग, या हवाई माल परिवहन।

इन अनुप्रयोगों के लिए, घना तरल ईंधन अधिक पसंदीदा है और संभवतः हवाई यात्रा के लिए सबसे संभावित विकल्प है। इसलिए जीवाश्म ईंधन को बदलने के लिए, अमोनिया को एक ठोस विकल्प के रूप में माना गया है। अमोनिया उर्वरकों और विस्फोटकों जैसे रसायनों के उत्पादन में भी एक प्रमुख यौगिक है।

वर्तमान में, अमोनिया वैश्विक ऊर्जा खपत और कार्बन उत्सर्जन का 1.8% जिम्मेदार है, और यह वह भी है जब हम इसे परिवहन में उपयोग करने की कोशिश नहीं कर रहे हैं। इसे वर्तमान में मीथेन जलाकर, जिसे ग्रे अमोनिया कहा जाता है, बनाया जाता है। एक बेहतर विकल्प नवीकरणीय ऊर्जा से निर्मित हरा अमोनिया हो सकता है।

समस्या यह है कि अभी के लिए, हरा अमोनिया तेल‑आधारित ईंधन या ग्रे अमोनिया की तुलना में बहुत अधिक महंगा है। इसका मुख्य कारण यह है कि अमोनिया हाइड्रोजन का उपयोग करके बनाया जाता है, जिसे इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा बनाना स्वयं महंगा है।

लिथियम‑प्रेरित उत्प्रेरण जैसी वैकल्पिक विधियाँ संभव और सस्ती हो सकती हैं, लेकिन शायद अभी भी पर्याप्त सस्ती नहीं हैं।

लेकिन हाइड्रोजन के विकल्प के रूप में, बफ़ेलो स्टेट यूनिवर्सिटी ऑफ न्यू यॉर्क और यूनिवर्सिटी ऑफ ऑकलैंड (न्यूज़ीलैंड) के शोधकर्ताओं के अनुसार, एक विकल्प हो सकता है। उन्होंने हाल ही में जर्नल ऑफ द अमेरिकन केमिकल सोसाइटी में “प्लाज़्मा‑इलेक्ट्रोकेमिकल अमोनिया संश्लेषण में मिश्रित NOxHy अभिकर्मकों के प्रतिक्रिया मार्गों का नियंत्रण¹” शीर्षक के तहत अपने निष्कर्ष प्रकाशित किए हैं।

अमोनिया उत्पादन के कई मार्ग

नाइट्रोजन (N₂) पृथ्वी पर बहुत प्रचुर मात्रा में है, जो वायुमंडल का 78% बनाता है। लेकिन पौधों के लिए या रसायन के रूप में उपयोगी होने के लिए, हमें इसे अमोनिया (NH₃) या नाइट्रेट (NO₃) के रूप में चाहिए। नाइट्रोजन परमाणु में ये हाइड्रोजन परमाणु जोड़ना बहुत ऊर्जा‑गहन प्रक्रिया है।

इसे करने का एक तरीका विशेष बैक्टीरिया, जिन्हें नाइट्रोजन‑स्थिर करने वाले बैक्टीरिया कहा जाता है, के माध्यम से है। यह प्राकृतिक नाइट्रोजन का सबसे बड़ा स्रोतों में से एक है (विश्व स्तर पर प्रति वर्ष 100–300 टेराग्राम नाइट्रोजन), लेकिन आमतौर पर तीव्र कृषि के लिए अपर्याप्त है।

जैसा कि उल्लेख किया गया, दूसरा तरीका हाइड्रोजन (H₂) का उपयोग है, लेकिन हरा हाइड्रोजन बनाना महंगा है।

हालांकि, अमोनिया बनाने का एक तीसरा तरीका है, जो कभी‑कभी प्रकृति में होता है। जब बिजली गिरती है, तो विद्युत धारा की तीव्रता N₂ को तोड़ देती है, जिससे कई प्रकार के नाइट्रोजन ऑक्साइड बनते हैं।

स्रोत: Britannica

प्रकृति में, इन नाइट्रोजन ऑक्साइड को फिर बैक्टीरिया द्वारा अमोनिया में परिवर्तित किया जाता है। यह प्राकृतिक अमोनिया उत्पादन का केवल एक छोटा हिस्सा है, 3‑10 टेराग्राम की सीमा में. यह कुछ ऐसा है जिसे कृत्रिम रूप से दोहराया जा सकता है, जिससे हाइड्रोजन की आवश्यकता पूरी तरह से समाप्त हो जाएगी।

मानव निर्मित प्लाज़्मा द्वारा बिजली की जगह

शोधकर्ताओं ने हवा को एक प्लाज़्मा रिएक्टर में डाला, जो एक इलेक्ट्रोड और कांच की ट्यूब वाला कंटेनर है। प्लाज़्मा डिस्चार्ज बिजली के प्रभाव की नकल करते हैं, जिससे प्रतिक्रिया कक्ष में नाइट्रोजन ऑक्साइड का जटिल मिश्रण बनता है।

स्रोत: ACS Publication

इन मिश्रित गैसों को फिर एक उत्प्रेरक रिएक्टर में भेजा जाता है जिसमें कॉपर‑पैलैडियम मिश्रधातु फोम जैसी संरचना में होती है। यह उत्प्रेरक पहले शेष हवा से नाइट्रोजन ऑक्साइड को अवशोषित करने और फिर उन बैक्टीरिया की जगह लेने के लिए जिम्मेदार है, जो प्रकृति में ऑक्साइड को अमोनिया में बदलते थे।

उत्प्रेरण को सूक्ष्म‑समायोजन

नाइट्रोजन ऑक्साइड को अमोनिया में बदलने का दूसरा चरण बिल्कुल भी सरल नहीं है।

“जब प्लाज़्मा ऊर्जा या बिजली की चमक नाइट्रोजन को सक्रिय करती है, तो आप नाइट्रोजन ऑक्साइड यौगिकों का एक सूप बनाते हैं। एक साथ, हमारे मामले में, आठ विभिन्न रासायनिक यौगिकों को अमोनिया में बदलना अत्यंत कठिन है।”
Xiaoli Ge – बफ़ेलो विश्वविद्यालय में पोस्टडॉक्टोरल शोधकर्ता

इसका मतलब है कि ऑक्साइड को अमोनिया में बदलने के लिए केवल 8 रासायनिक प्रतिक्रियाएँ ही नहीं, बल्कि कई मध्यवर्ती चरणों की आवश्यकता होती है, जिनमें से प्रत्येक संभावित रूप से बाधा उत्पन्न कर सकता है और प्रणाली की कुल दक्षता को कम कर सकता है।

यह भी एक समस्या है क्योंकि नाइट्रोजन ऑक्साइड कुछ हद तक प्रदूषक होते हैं, और इस विधि से बड़े पैमाने पर अमोनिया उत्पादन में शेष नाइट्रोजन ऑक्साइड को यथासंभव कम रखना आवश्यक है।

इसलिए, शोधकर्ताओं को बाइ‑धातु उत्प्रेरकों की एक श्रृंखला बनानी पड़ी, जिसे फिर “NOx‑से‑NH₃ मार्ग में सीमित मध्यवर्ती की इष्टतम adsorption और रूपांतरण” को लक्षित करने के लिए सूक्ष्म‑समायोजित किया गया।

उन्होंने सभी विभिन्न प्रतिक्रिया मार्गों को मानचित्रित करने के लिए ग्राफ थ्योरी नामक गणितीय प्रक्रिया का उपयोग किया। इस तरह, वे शुरू से ही पहचान सकते थे कि बाधाएँ कहाँ हैं और रूपांतरण दक्षता को कैसे सुधारें।

ऐसा करने पर, उन्होंने पाया कि अधिकांश नाइट्रोजन ऑक्साइड यौगिकों को अमोनिया बनने से पहले नाइट्रिक ऑक्साइड या अमाइन के माध्यम से मध्यवर्ती चरण में जाना पड़ता है। इसलिए, उन्होंने एक ऐसा उत्प्रेरक बनाया जो इन दो यौगिकों के साथ अनुकूल रूप से बंधता है।

विस्तार (स्केल‑अप)

अंतिम डिजाइन ने 81.2 mg/h/cm² की अमोनिया उत्पादन दर हासिल की। प्लाज़्मा कक्ष और कॉपर‑पैलैडियम उत्प्रेरक 2 एम्पीयर की लागू धारा पर 1,000 घंटे से अधिक चलने के बाद भी स्थिर रहे।

शोध टीम अब अपने प्रयोगात्मक रिएक्टर को स्केल‑अप करने के अगले चरण की जांच कर रही है, जिसमें एक स्टार्ट‑अप बनाना और तकनीक को औद्योगिक साझेदारों को लाइसेंस देना शामिल है। बफ़ेलो विश्वविद्यालय ने भी रिएक्टर के लिए पेटेंट आवेदन दायर किया है।

वर्तमान जीवाश्म‑ईंधन‑आधारित उत्पादन के विपरीत, यह प्लाज़्मा‑आधारित अमोनिया उत्पादन कुछ प्रमुख लाभ प्रस्तुत करेगा:

• पूरी तरह से प्लाज़्मा उत्पन्न करने के लिए बिजली द्वारा संचालित होने के कारण, इसे 100% हरी ऊर्जा से चलाया जा सकता है।
• इसे मध्यम आकार के कंटेनर में स्थापित किया जा सकता है और सौर पैनलों से जोड़ा जा सकता है, जिससे वर्तमान अमोनिया संयंत्रों के बड़े पैमाने की आवश्यकता नहीं रहती।
• उत्प्रेरक विज्ञान में आगे की प्रगति प्रणाली की लागत को सुधारने में मदद कर सकती है, साथ ही हरी ऊर्जा, विशेषकर सौर ऊर्जा की लगातार घटती लागतों से भी।

“आप हमारे रिएक्टर को एक मध्यम आकार के शिपिंग कंटेनर में, छत पर सौर पैनलों के साथ, कल्पना कर सकते हैं। इसे फिर दुनिया में कहीं भी रखा जा सकता है और उस क्षेत्र की मांग के अनुसार अमोनिया उत्पन्न किया जा सकता है।

यह हमारे सिस्टम का एक बहुत रोमांचक लाभ है, और यह हमें हाबर‑बॉश प्रक्रिया तक सीमित पहुंच वाले कम विकसित क्षेत्रों के लिए अमोनिया उत्पादन करने की अनुमति देगा।”

Chris Li – रसायन विज्ञान के सहायक प्रोफेसर

संभावित रूप से, महंगे पैलेडियम की आवश्यकता न रखने वाले अन्य विकल्पों की जांच, जैसे सही बैक्टीरिया वाले बायोरिएक्टर, आगे के विकास के लिए एक विकल्प हो सकता है, लेकिन यह अमोनिया को वैश्विक ईंधन स्रोत बनाने के लिए आवश्यक मात्रा में स्केल‑अप करना कठिन हो सकता है।

अमोनिया में निवेश

हमने पहले के लेखों में कुछ हरे अमोनिया निवेश संभावनाओं को कवर किया है, साथ ही इसके पीछे का विज्ञान भी, विशेष रूप से “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” और “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”。

हालांकि, इस नई प्लाज़्मा‑आधारित अमोनिया उत्पादन प्रक्रिया के उदय को देखते हुए, निवेश के लिए अधिक प्रासंगिक स्टॉक पैलेडियम खनन कंपनी हो सकता है, क्योंकि किसी भी स्केल‑अप उत्पादन को शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग किए गए उत्प्रेरक की बड़ी मात्रा की आवश्यकता होगी।

पैलेडियम का अधिकांश उत्पादन 2023 में रूस और दक्षिण अफ्रीका द्वारा किया गया था, इसके बाद कनाडा और ज़िम्बाब्वे।

स्रोत: Statista

और, बेशक, पैलेडियम में सीधे निवेश, सिक्कों या धातु की छड़ियों के रूप में, कीमती धातु के बुलियन विक्रेताओं से भी संभव है।

स्रोत: US State Mint

पिछले वर्षों में पैलेडियम की कीमतें बहुत अस्थिर रही हैं, यूक्रेन युद्ध और इस बाजार में रूस की आपूर्ति के महत्व के कारण कीमतों में भारी वृद्धि हुई थी। तब से वे फिर से गिर गई हैं।

स्रोत: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

सिबाने स्टिलवॉटर लिमिटेड, पल्लेडियम और प्लेटिनम‑केंद्रित सबसे बड़ी कंपनी, अपने उद्योग में अग्रणी है। यह दुनिया का सबसे बड़ा रोडियम उत्पादक भी है।

इन धातुओं के अलावा, यह इरिडियम और रूथेनियम जैसी अन्य प्लेटिनम समूह धातुओं का भी उत्पादक है। मुख्यतः इसलिए क्योंकि प्लेटिनम मेटल ग्रुप (PGM) की धातुएँ अक्सर एक ही अयस्क में पाई और निकाली जाती हैं।

स्रोत: Stillwater

सितंबर 2024 में, सिबाने स्टिलवॉटर ने घोषणा की कि वह अपने मॉन्टाना स्टिलवॉटर खनन को पुनर्संरचना करेगा, जिससे इस खनन का उत्पादन 45% घटाकर लागत कम की जाएगी। यह खनन, जिसमें प्लेटिनम से अधिक पैलेडियम है, पैलेडियम की कम कीमतों से प्रभावित हुआ है।

इससे $435 मिलियन का बड़ा मूल्यह्रास चार्ज लगा, जिससे कंपनी ने 2024 की पहली छमाही में नुकसान दर्ज किया।

यदि पैलेडियम प्लाज़्मा के साथ बड़े पैमाने पर अमोनिया उत्पादन के लिए एक महत्वपूर्ण “ऊर्जा धातु” बन जाता है, तो यह इसे एक मूल्यवान निष्क्रिय संपत्ति बना देगा।

यह भी उल्लेखनीय है कि वर्तमान कीमतें अधिकांश प्लेटिनम‑समृद्ध क्षेत्रों के उत्पादन लागत को कवर करने के लिए मुश्किल से ही पर्याप्त हैं, जिससे यह खनन बंद होने से पहले उद्योग के लिए एक निचला स्तर बन जाता है।

स्रोत: Sibanye Stillwater

सिबाने स्टिलवॉटर वर्तमान में एक शुद्ध PGM खनन कंपनी से विविधीकरण कर सोने और बैटरी धातु बाजारों में प्रवेश कर रहा है, विशेष रूप से फ़िनलैंड में एक लिथियम खनन परियोजना के लिए।

स्रोत: Sibanye Stillwater

कंपनी का दक्षिण अफ्रीका में बीसा यूरेनियम परियोजना के साथ यूरेनियम खनन में भी उपस्थिति है। इसने हाल ही में इसे नेओ एनर्जी को $5 प्रति पाउंड की अधिकतम सीमा के साथ सभी बेचे गए यूरेनियम पर रॉयल्टी के बदले में 40% इक्विटी हिस्सेदारी के बदले बेच दिया, जो स्पॉट यूरेनियम कीमत पर निर्भर करता है।

“Beatrix 4 शाफ्ट और Beisa यूरेनियम परियोजना की बिक्री सिबाने‑स्टिलवॉटर की रणनीति के अनुरूप है, जिससे हम अपने यूरेनियम संपत्तियों से मूल्य निकाल सकें।”
Neal Froneman – सिबाने‑स्टिलवॉटर मुख्य कार्यकारी अधिकारी

समग्र रूप से, सिबाने‑स्टिलवॉटर विश्व की सबसे बड़ी अंतरराष्ट्रीय PGM खनन कंपनी है, और उसके शेयरधारकों को ऊर्जा क्षेत्र के हाइड्रोजन या अमोनिया को परिवहन ईंधन के रूप में अपनाने से बहुत लाभ होगा। इसका कारण यह है कि इस खंड की लगभग सभी संभावित तकनीकों को हाइड्रोजन इलेक्ट्रोलिसिस, अमोनिया उत्पादन या ईंधन कोशिकाओं के लिए प्लेटिनम, पैलेडियम या रोडियम की आवश्यकता होती है, क्योंकि उत्प्रेरक हाइड्रोजन प्रतिक्रियाओं की मूलभूत भौतिकी इन विशेष धातुओं पर निर्भर करती है।

यह लिथियम से लेकर यूरेनियम तक कम‑कार्बन ऊर्जा में भी विस्तार कर रहा है, जिससे यह उन खनन कंपनियों में से एक बन जाता है जो नवीकरणीय और हाइड्रोजन/अमोनिया द्वारा संचालित हरे अर्थव्यवस्था की ओर बदलाव से सबसे अधिक लाभान्वित होने की संभावना रखती हैं।

अध्ययन संदर्भ:

^{1. Ge, X., Zhang, C., Janpandit, M., Prakash, S., Gogoi, P., Zhang, D., Cook, T. R., Waterhouse, G. I. N., Yin, L., Wang, Z., & Li, Y. C. (2024). प्लाज़्मा‑इलेक्ट्रोकेमिकल अमोनिया संश्लेषण में मिश्रित NOxHy अभिकर्मकों के प्रतिक्रिया मार्गों का नियंत्रण। Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858}