अधिक कुशल हाइड्रोजन उत्पादन के लिए नई राहें खोजी गई

सही हाइड्रोजन उत्प्रेरक की खोज

Hydrogen सैद्धांतिक रूप से एक आदर्श ईंधन हो सकता है जो ऊर्जा को संग्रहीत करने और उन अनुप्रयोगों को चलाने में सक्षम है जिन्हें इलेक्ट्रिफ़ाई करना कठिन है। यह इसलिए है क्योंकि इसमें कुछ लगभग आदर्श विशेषताएँ हैं:

• इसके दहन का उप‑उत्पाद केवल पानी है
  • और यही बात इसे ईंधन कोशिकाओं में बिजली उत्पन्न करने के समय भी कहा जा सकता है।
• यह बहुत उच्च तापमान पर जल सकता है, जिससे यह धातु विज्ञान, रासायनिक प्रक्रियाओं आदि में प्राकृतिक गैस का एक अच्छा विकल्प बनता है।
• इसके उत्पादन के लिए केवल पानी ही संसाधन के रूप में आवश्यक है।
• हाइड्रोजन स्वयं विषरहित और गैर‑प्रदूषक है।

हालाँकि, हाइड्रोजन‑आधारित अर्थव्यवस्था का उदय इस कारण से बाधित रहा है कि हाइड्रोजन को लागत‑प्रभावी तरीके से उत्पन्न करना कठिन है। यह इसलिए है क्योंकि अधिकांश ग्रीन हाइड्रोजन (हरित ऊर्जा से निर्मित) इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा बनाया जाता है, जो वर्तमान में मुख्यतः प्लैटिनम, रूथेनियम या इरिडियम जैसे महंगे उत्प्रेरकों पर निर्भर करता है, जो सभी बहुत दुर्लभ और महंगे धातु हैं।

इसलिए जब तक हाइड्रोजन के लिए कोई बेहतर उत्पादन विधि नहीं मिलती, यह संभावना कम है कि हम इसे बड़े पैमाने पर जीवाश्म ईंधन की जगह ले पाएँगे।

सौभाग्य से, यह स्थिति तेजी से बदल रही है। हमने पहले इन संभावनाओं में से कुछ को कवर किया था, विशेष रूप से प्लास्टिक कचरे को हाइड्रोजन में बदलना, निकेल‑आधारित नैनोरॉड को वैकल्पिक उत्प्रेरक के रूप में उपयोग करना, या टाइटेनियम और निकेल स्क्रैप धातुओं (स्रॉफ) का उपयोग करना, जो धातु भागों के निर्माण के दौरान उत्पन्न होते हैं। शोधकर्ताओं द्वारा अब कुछ नई विकल्प जोड़े जा रहे हैं।

पहला विकल्प है स्वयं‑ऑप्टिमाइज़िंग उत्प्रेरकों¹ का निर्माण, जिसे जर्मनी के Johannes Gutenberg Universität, Technical University of Darmstadt, Max Planck Institute for Polymer Research, चीन के Harbin Institute of Technology और Shandong University के शोधकर्ताओं ने विकसित किया है। यह शोध Angewandte Chemie में “Self-optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media” शीर्षक के तहत प्रकाशित हुआ।

दूसरा विकल्प है सीवेज स्लज को ग्रीन हाइड्रोजन और पशु चारे में बदलने की विधि², जिसे सिंगापुर के Nanyang Technological University, ऑस्ट्रेलिया के Monash University और चीन के University of Hong Kong के शोधकर्ताओं ने विकसित किया है। यह शोध Nature Water में “Solar-driven sewage sludge electroreforming coupled with biological funnelling to cogenerate green food and hydrogen” शीर्षक के तहत प्रकाशित हुआ।

हाइड्रोजन उत्प्रेरकों की समस्या का समाधान

सभी हाइड्रोजन‑उत्पादक उत्प्रेरकों में एक दोहराई जाने वाली समस्या यह है कि वे समय के साथ क्षयित हो जाते हैं। यह प्रतिक्रियाशील धातुओं पर जमा बनने, या स्वयं धातु परत के धीरे‑धीरे घटकों को खोने के कारण हो सकता है।

यह समस्या विशेष रूप से प्लैटिनम समूह के महंगे उत्प्रेरकों के लिए अधिक समस्याग्रस्त है, लेकिन यह अन्य धातु‑आधारित उत्प्रेरकों के लिए भी लागू होती है।

इसलिए, यहाँ चर्चा किए गए पहले अध्ययन के जर्मन और चीनी शोधकर्ताओं द्वारा अपने नए उत्प्रेरकों में स्वयं‑ऑप्टिमाइज़िंग व्यवहार का अवलोकन किया गया, यह महत्वपूर्ण है।

“हमारे उत्प्रेरक की अनोखी बात यह है कि यह समय के साथ अपनी कार्यक्षमता को बढ़ाता है, जबकि पारंपरिक उत्प्रेरक या तो अपनी कार्यक्षमता को समान स्तर पर बनाए रखते हैं या उनकी टिकाऊपन अपर्याप्त होने के कारण कार्यक्षमता खो देते हैं,”

डॉ. डैनडन गाओ – Johannes Gutenberg University Mainz में रिसर्च लीड

कोबाल्ट‑टंग्स्टन उत्प्रेरण

हाइड्रोजन उत्पादन के बाधा बिंदु का समाधान

शोधकर्ताओं ने तथाकथित 3d से 5d ट्रांज़िशन मेटल ऑक्साइड्स पर ध्यान केंद्रित किया, जिन्हें मिश्रित धातु के रूप में तैयार किया गया।

ये ऑक्साइड्स ऑक्सीजन इवॉल्यूशन रिएक्शन (OER) नामक रासायनिक प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जो जल के इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान हाइड्रोजन उत्पन्न करने वाली प्रतिक्रिया का आधा भाग है, और यह दोनों प्रमुख इलेक्ट्रोलाइज़र डिज़ाइनों (AEM और PEM) में कार्य करता है।

स्रोत: SpectroInlet

 “जल के विभाजन के दौरान दो प्रतिक्रियाएँ होती हैं। हाइड्रोजन इवॉल्यूशन रिएक्शन (HER) जो हाइड्रोजन गैस उत्पन्न करती है, और ऑक्सीजन इवॉल्यूशन रिएक्शन (OER) जो ऑक्सीजन गैस उत्पन्न करती है। OER पूरी प्रतिक्रिया का बोतलनेक है। इसलिए हम ऐसे उत्प्रेरक विकसित करने के लिए प्रतिबद्ध हैं जो OER अर्ध‑प्रतिक्रिया को प्रोत्साहित कर सके।”

डॉ. डैनडन गाओ – Johannes Gutenberg University Mainz में रिसर्च लीड

हालाँकि, इन संभावित नए उत्प्रेरकों को अभी भी पर्याप्त रूप से समझा नहीं गया है; प्रतिक्रिया के दौरान एटॉमिक स्तर पर क्या होता है, या धातु का इलेक्ट्रो‑केमिकल रूप क्या है, इस बारे में ज्ञान सीमित है।

यह समझ की कमी व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य समाधान विकसित करने में बड़ी बाधा है, क्योंकि यह उत्प्रेरकों को स्थिर सब्सट्रेट पर एंकर करने की क्षमता को भी सीमित करती है।

एक‑चरण जमा विधि

शोधकर्ताओं ने 3–5 µm व्यास वाले कॉपर ऑक्साइड (L−CuO) माइक्रोफ़्लावर सब्सट्रेट का उपयोग किया, जिसे 2020 में उनके प्रयोगशाला में पहले विकसित किया गया था।

इसके बाद उन्होंने रासायनिक जमा विधि से कॉपर सब्सट्रेट की सतह पर कोबाल्ट‑टंग्स्टन मिश्रधातु की एक परत बनाई।

स्रोत: Angewandte Chemie

आगे के विश्लेषणों ने सामग्री की जटिल सूक्ष्म संरचनाओं को उजागर किया, जिसमें X‑ray फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS), एटेन्यूएटेड टोटल रिफ्लेक्शन फूरियर ट्रांसफ़ॉर्म इन्फ्रारेड (ATR‑FTIR) स्पेक्ट्रोस्कोपी, और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी माप शामिल थे।

यह भी पुष्टि हुई कि उत्प्रेरक कॉपर सब्सट्रेट से बहुत दृढ़ता से जुड़ा हुआ है।

“व्यावहारिक और स्केलेबल जमा विधियों का विकास तकनीकी, आर्थिक और पारिस्थितिक दृष्टि से अत्यंत महत्वपूर्ण है, जिससे चयनित आशाजनक सब्सट्रेट पर OER प्री‑कैटलिस्ट्स को उच्च यांत्रिक अखंडता के साथ स्थिर रूप से एंकर किया जा सके”

स्रोत: Angewandte Chemie

स्वयं‑ऑप्टिमाइज़िंग उत्प्रेरक

इन अत्यंत विस्तृत अवलोकनों से वैज्ञानिकों ने पाया कि कोबाल्ट आयन Co₂₊ रूप से Co₃₊ रूप में बदलते हैं। उसी समय, टंग्स्टन आयन भी W5+ से W6+ रूप में परिवर्तित होते हैं।

परिणामस्वरूप, समय के साथ उत्प्रेरक का इलेक्ट्रो‑केमिकल रूप से सक्रिय भाग टंग्स्टन सक्रिय साइट से कोबाल्ट सक्रिय साइट की ओर स्थानांतरित हो जाता है।

स्रोत: Angewandte Chemie

उत्प्रेरक सतह की जलरोधकता (हाइड्रोफिलिसिटी) में भी परिवर्तन करता है, अर्थात् जल (हाइड्रोजन उत्पादन के लिए ईंधन) को आकर्षित करने की उसकी क्षमता बढ़ती है; समय के साथ यह अधिक जलरोधक बन जाता है।

“सामान्यतः, हमने उल्लेखनीय रूप से कम ओवरपोटेंशियल और बढ़ी हुई करंट डेंसिटी दर्ज की, साथ ही OER गतिजीयता में महत्वपूर्ण वृद्धि देखी। यह सब भविष्य के हाइड्रोजन उत्पादन के लिए सकारात्मक समाचार है।”

डॉ. डैनडन गाओ – Johannes Gutenberg University Mainz में रिसर्च लीड

यह ट्रांज़िशन मेटल ऑक्साइड्स को हाइड्रोजन उत्पादन के लिए व्यवहार्य उत्प्रेरकों में बदलने की दिशा में एक शक्तिशाली कदम होना चाहिए।

न केवल यह दर्शाता है कि वैज्ञानिकों की टीम ने उत्प्रेरक के लिए एक व्यावहारिक कॉपर सब्सट्रेट विकसित किया है, बल्कि यह भी सिद्ध करता है कि ऐसे उत्प्रेरक अत्यधिक स्थिर हो सकते हैं और समय के साथ अपनी कार्यक्षमता में सुधार भी कर सकते हैं।

यह अन्य ट्रांज़िशन मेटल संयोजनों की संभावनाओं का मूल्यांकन करने के लिए सैद्धांतिक ढांचा भी प्रदान करता है, जो अभी तक कोबाल्ट‑टंग्स्टन जितने समझे नहीं गए हैं।

उत्प्रेरक की आवश्यकता नहीं?

शहरों के स्लज से निपटना

इसी बीच, हाइड्रोजन उत्पादन को हमारे शहरों द्वारा उत्पन्न बड़े पैमाने के अपशिष्ट प्रवाह से भी शुरू किया जा सकता है। यह अवधारणा सिंगापुर, चीन और ऑस्ट्रेलिया के शोधकर्ताओं द्वारा खोजी गई है।

उन्होंने सीवेज स्लज पर ध्यान केंद्रित किया, जो अपशिष्ट जल की सफ़ाई का विषाक्त उप‑उत्पाद है। इन स्लजों की जटिल संरचना, संरचना और भारी धातुओं तथा रोगजनकों जैसे संदूषकों के कारण उनका प्रसंस्करण और निपटान बहुत कठिन होता है।

विश्व स्तर पर प्रत्येक वर्ष 100 मिलियन टन से अधिक सीवेज स्लज उत्पन्न होते हैं। सामान्य निपटान विधियाँ—जैसे दहन या लैंडफ़िल—समय‑साध्य, ऊर्जा‑अप्रभावी और पर्यावरणीय प्रदूषण में योगदान देती हैं।

इसके बजाय, इसे एक ही समय में पशु चारा और हाइड्रोजन का स्रोत बनाया जा सकता है।

स्लज को संसाधनों में बदलना

शोधकर्ताओं ने स्लज को उपचारित करने के लिए एक 3‑चरणीय प्रक्रिया विकसित की।

पहले, वे स्लज को यांत्रिक रूप से तोड़कर एक तरल में बदलते हैं। फिर वे रासायनिक उपचार के माध्यम से जैविक पदार्थ से भारी धातुओं को हटाते हैं।

अगले चरण में, वे एक इलेक्ट्रो‑रासायनिक प्रक्रिया का उपयोग करके जैविक पदार्थ को मूल्यवान उत्पादों में परिवर्तित करते हैं: एसीटिक एसिड और हाइड्रोजन गैस, विशेष इलेक्ट्रोड्स के माध्यम से।

अंत में, वे प्रकाश‑सक्षम बैक्टीरिया (साइनोबैक्टीरिया) की संस्कृति को पोषित करते हैं, जो शेष जैविक सामग्री को एकल‑कोशिका प्रोटीन में बदलते हैं, जो पशु चारे के लिए उपयुक्त है।

दूसरा और तीसरा चरण क्रमशः (बैक्टीरिया के मामले में सीधे) या सौर पैनलों के माध्यम से (इलेक्ट्रो‑रासायनिक उपचार के मामले में) सूर्य के प्रकाश से संचालित होते हैं।

यह पूरी स्लज रीसाइक्लिंग प्रक्रिया को पूरी तरह कार्बन‑मुक्त बनाता है, और वास्तव में कार्बन‑नकारात्मक है क्योंकि यह स्लज के सामान्य प्रसंस्करण से होने वाले कार्बन उत्सर्जन को रोकता है, और एसीटिक एसिड, हाइड्रोजन और पशु चारे के लिए अन्य जीवाश्म‑ईंधन‑आधारित स्रोतों को प्रतिस्थापित करता है।

हाइड्रोजन को स्वच्छ ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग किया जा सकता है, और एसीटिक एसिड खाद्य और फार्मास्यूटिकल उद्योगों के लिए एक प्रमुख घटक है।

स्रोत: Nature Water

उच्च दक्षता

इस विधि ने सीवेज स्लज में मौजूद जैविक कार्बन का 91.4 % पुनः प्राप्त किया है और जैविक कार्बन का 63 % एकल‑कोशिका प्रोटीन में परिवर्तित किया है।

यह पारंपरिक एरोबिक डाइजेशन की तुलना में बहुत अधिक है, जो आमतौर पर सीवेज स्लज में लगभग 50 % जैविक सामग्री को पुनः प्राप्त और परिवर्तित करता है।

समग्र रूप से, यह पारंपरिक विधियों की तुलना में कार्बन उत्सर्जन को 99.5 % और ऊर्जा उपयोग को 99.3 % तक घटाता है।

“हम आशा करते हैं कि हमारी प्रस्तावित विधि कचरे को सतत रूप से प्रबंधित करने की व्यवहार्यता दिखाती है और सीवेज स्लज को एक बर्बादी से एक मूल्यवान संसाधन में बदल देती है, जो स्वच्छ ऊर्जा और सतत खाद्य उत्पादन का समर्थन करता है।”

डॉ. झाओ हु, Nanyang Technological University में रिसर्च फेलो

उच्च दक्षता के साथ, यह विधि स्लज को भारी धातुओं से भी शुद्ध करती है, जो सामान्य निपटान विधियों में लैंडफ़िल को प्रदूषित करने की प्रवृत्ति रखती हैं।

यह नई विधि दर्शाती है कि विश्व स्तर पर अपशिष्ट जल के प्रबंधन में एक क्रांति संभव है, जिससे भारी धातुओं को (भविष्य में पुनः उपयोग के लिए?) हटाया जा सकता है और एक साथ उपयोगी एसीटिक एसिड, हाइड्रोजन और पशु चारा उत्पन्न किया जा सकता है।

निष्कर्ष

हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था संभवतः विभिन्न हाइड्रोजन स्रोतों के जटिल जाल से बनी होगी।

संभावना है कि उन्नत उत्प्रेरकों के माध्यम से जल इलेक्ट्रोलिसिस से हाइड्रोजन उत्पन्न किया जाएगा, बिना महंगे दुर्लभ धातुओं की आवश्यकता के। इससे हाइड्रोजन की लागत इतनी कम हो जाएगी कि वह जीवाश्म ईंधनों और अन्य हरित विकल्पों के साथ आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धी बन सके।

एक और संभावित स्रोत है कृषि, अपशिष्ट जल और अन्य मानव गतिविधियों द्वारा उत्पन्न लाखों टन कचरे का बेहतर उपयोग। क्योंकि इन कचरों को किसी न किसी रूप में प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है, यह अधिक लाभदायक होगा कि हम उन्हें इस तरह प्रसंस्कृत करें कि प्रदूषकों (जैसे भारी धातुओं) को हटाया जाए और नई उपयोगी वस्तुएँ उत्पन्न हों।

और यदि यह पूरी तरह सौर‑ऊर्जा द्वारा संचालित हो, तो और भी बेहतर।

टंग्स्टन उत्प्रेरक कंपनी

टंग्स्टन धीरे‑धीरे न केवल एक सुपर‑रेज़िस्टेंट धातु के रूप में उभर रहा है, जो भारी उद्योग और रक्षा क्षेत्र में उपयोग होती है, बल्कि यह रासायनिक उद्योग और हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एक शक्तिशाली उत्प्रेरक भी बन रहा है।

यह संभवतः सही आणविक विन्यास में बुनने पर एक उच्च‑तापमान सुपरकंडक्टर भी बन सकता है।

आप इस संसाधन के बारे में तकनीकी और निवेश‑संबंधी अवलोकन “टंग्स्टन – द सीक्रेट हाई‑टेक मेटल” में पढ़ सकते हैं।

यह भी एक ऐसी धातु है जिसका आपूर्ति श्रृंखला लगभग पूरी तरह से चीन द्वारा नियंत्रित है, एक ही अपवाद के साथ, Almonty Industries (ALM ) ।

Almonty Industries

Almonty एक टंग्स्टन खनन कंपनी है जो वर्तमान में मुख्यतः पुर्तगाल में स्थित एक खदान से उत्पादन कर रही है, जो पिछले 125 वर्षों से संचालन में है।

कंपनी पुर्तगाल की खदान का विस्तार करने और स्पेन में अविकसित जमा को विकसित करने पर काम कर रही है।

स्रोत: Almonty

कंपनी का सबसे महत्वपूर्ण प्रोजेक्ट दक्षिण कोरिया के Sangdong में एक नई खदान का विकास है। इस खदान में सभी अन्य जमा को मिलाकर उससे अधिक अनुमानित संसाधन मौजूद हैं।

स्रोत: Almonty

पश्चिमी देशों में सक्रिय और उत्पादन करने वाले टंग्स्टन खनिकों में से एक के रूप में, Almonty रक्षा उद्योग के लिए एक प्रमुख रणनीतिक आपूर्तिकर्ता है। इसलिए, यह चीन की आपूर्ति पर निर्भरता को कम करने के लिए एक महत्वपूर्ण कंपनी है।

Sangdong खदान का स्थान इसे रक्षा उद्योग के लिए एक आदर्श आपूर्तिकर्ता बनाता है, क्योंकि दक्षिण कोरिया “कम‑तकनीकी” सैन्य उपकरण जैसे टैंक, तोपखाना और गोला‑बारूद के बड़े‑पैमाने के उत्पादन में नया दिग्गज बन रहा है (फाइटर जेट, एयरक्राफ्ट कैरियर आदि की तुलना में कम टंग्स्टन‑मांग वाले)।

जब चीन कज़ाखस्तान में एक विशाल टंग्स्टन खदान खोलने की तैयारी कर रहा है, Almonty “टंग्स्टन की सुरक्षा से जुड़ी राजनीति को काफी हद तक बदलने” के लिए तैयार है, जब Almonty कोरिया टंग्स्टन प्रोजेक्ट की Sangdong खदान कुछ महीनों में चालू होगी। उत्पादन शुरू होने पर यह विश्व की सबसे बड़ी टंग्स्टन खदानों में से एक होगी, जो गैर‑चीन आपूर्ति का 30 % हिस्सा होगी।

Lewis Black, Almonty Industries के निदेशक, अध्यक्ष और CEO

Almonty को 2025 की शुरुआत से मध्य तक कोरियाई खदान से टंग्स्टन उत्पादन शुरू करना चाहिए।

पश्चिम में मूल रूप से एकमात्र बड़े आपूर्तिकर्ता के रूप में उसकी रणनीतिक स्थिति के कारण, Almonty को Plansee द्वारा एक गारंटीकृत मूल्य प्रस्तावित किया गया था। Plansee एक उच्च‑प्रदर्शन धातु निर्माता है और Almonty के बड़े ग्राहकों में से एक है, साथ ही कंपनी का 15 % मालिक भी है।

न्यूनतम गारंटीकृत मूल्य $235/MTU (मीट्रिक टन इकाई) था, बिना किसी ऊपरी सीमा के। चूँकि Sangdong खदान $110/MTU के नकदी लागत का लक्ष्य रखती है, यह परियोजना के लिए उच्च‑लाभ मार्जिन सुनिश्चित करेगा।

संगडोंग के उद्घाटन और ट्रम्प के अमेरिका‑चीन व्यापार युद्ध के बीच के लगभग परिपूर्ण समय के कारण, स्टॉक मूल्य ने तेज़ी से प्रतिक्रिया दी और चीन द्वारा टंग्स्टन निर्यात प्रतिबंध की घोषणा के दो दिन बाद 40 % की वृद्धि देखी।

जैसे-जैसे टंग्स्टन हाई‑टेक अनुप्रयोगों और भू‑राजनीतिक तनावों में अधिक महत्वपूर्ण होता जा रहा है, सुरक्षित, गैर‑चीन टंग्स्टन आपूर्ति को बनाए रखना एक स्थिर प्रीमियम उत्पन्न करने की संभावना रखता है, जिसमें Almonty सबसे बड़े लाभार्थियों में से एक है।

अध्ययन संदर्भ:

^{1. Christean Nickel et al. (2025)  Self-optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media. Angewandte Chemie. 05 फ़रवरी 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Solar-driven sewage sludge electroreforming coupled with biological funnelling to cogenerate green food and hydrogen. Nature Water. Volume 2, pages1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}