बिजली‑जैसी प्लाज़्मा से हरी अमोनिया को किफायती बनाना

हरी अमोनिया अर्थव्यवस्था का मार्ग

Ammonia, or NH₃, को तेल और अन्य जीवाश्म ईंधनों से बने तरल ईंधन को बदलने के लिए एक अत्यधिक संभावित उम्मीदवार माना गया है। इसका कारण यह है कि यह अत्यधिक प्रचुर संसाधन, वायुमंडलीय नाइट्रोजन (N₂) का उपयोग करके बनाया जाता है, और इसके उत्पादन के लिए तेल या मीथेन की आवश्यकता नहीं होती।

चूंकि अमोनिया एक महत्वपूर्ण उर्वरक है, इसका उत्पादन वर्तमान में रासायनिक उद्योग का एक विशाल हिस्सा है, जिससे यह विश्व में दूसरा सबसे अधिक उत्पादित रसायन बन गया है।

अमोनिया वर्तमान में मुख्यतः हाबर‑बॉश प्रक्रिया के माध्यम से उत्पादित किया जाता है, जिसमें नाइट्रोजन को हाइड्रोजन के साथ मिलाकर अमोनिया बनता है, उच्च दबाव और उच्च तापमान का उपयोग किया जाता है, जिससे यह स्वाभाविक रूप से ऊर्जा‑गहन बन जाता है।

स्रोत: Angewandte Chemie

हालाँकि, इस हाइड्रोजन का स्रोत यह निर्धारित करता है कि अमोनिया उत्पादन कितना प्रदूषित हो सकता है। आज, अमोनिया उत्पादन के लिए अधिकांश हाइड्रोजन जीवाश्म ईंधनों से प्राप्त किया जाता है, जिससे अमोनिया वैश्विक कार्बन उत्सर्जन का 1.3% जिम्मेदार है।

आदर्श रूप में, एक अमोनिया अर्थव्यवस्था नवीकरणीय ऊर्जा से उत्पन्न तथाकथित हरे अमोनिया पर निर्भर होगी। यह इसे अन्य प्रकार के अमोनिया से अलग करता है:

• ग्रे/ब्राउन अमोनिया: जीवाश्म ईंधनों से उत्पादित।
• नीला अमोनिया: जीवाश्म ईंधनों से उत्पादित लेकिन कार्बन कैप्चर के साथ।
• गुलाबी अमोनिया (कभी‑कभी पीला अमोनिया भी कहा जाता है): परमाणु ऊर्जा से उत्पादित।
• फ़िरोज़ा अमोनिया: मीथेन के पायरोलिसिस से उत्पादित। यह मीथेन को हाइड्रोजन और ठोस कार्बन में तोड़ता है, जहाँ हाइड्रोजन बाद में अमोनिया में परिवर्तित होता है। ठोस कार्बन को संग्रहीत किया जा सकता है या कार्बन फाइबर जैसी अनुप्रयोगों में उपयोग किया जा सकता है।

जब तक अमोनिया मुख्यतः हरा नहीं होता, इसे परिवहन और उद्योगों में जीवाश्म ईंधन के स्थान पर उपयोग करना काफी निरर्थक है, क्योंकि यह केवल जीवाश्म ईंधन के उपभोग बिंदु को बदलता है।

“उद्योग की अमोनिया की मांग लगातार बढ़ रही है। पिछले दशक में, वैश्विक वैज्ञानिक समुदाय, जिसमें हमारा प्रयोगशाला भी शामिल है, एक अधिक सतत तरीका खोजने के लिए काम कर रहा है जिससे अमोनिया का उत्पादन किया जा सके जो जीवाश्म ईंधनों पर निर्भर न हो।

प्रो. PJ Cullen – University of Sydney के प्रोफेसर और Net Zero Institute

इसी कारण नई खोजें जो अमोनिया के उत्पादन को पूरी तरह बदल देती हैं, सदी पुराने हाबर‑बॉश प्रक्रिया से हटकर, एक गेम‑चेंजर हो सकती हैं।

ऐसी नवाचार संभवतः सिडनी विश्वविद्यालय (ऑस्ट्रेलिया) और ज़ेजियांग विश्वविद्यालय (चीन) के शोधकर्ताओं द्वारा विकसित किया गया है, जिन्होंने वायु से नाइट्रोजन उत्पन्न करने के लिए प्लाज़्मा का उपयोग किया। उन्होंने अपने परिणाम Angewandte Chemie¹ में “Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma‑Driven Air‑to‑Ammonia Conversion” शीर्षक के तहत प्रकाशित किए।

अमोनिया क्यों?

यदि अमोनिया मूलतः परिवर्तित हाइड्रोजन है, तो सीधे हाइड्रोजन क्यों नहीं उपयोग किया जाता?

हाइड्रोजन के साथ अंतर यह है कि अमोनिया H₂ की तुलना में बहुत बड़ा अणु है और बहुत अधिक स्थिर है। इससे इसका परिवहन और भंडारण बहुत आसान हो जाता है। अमोनिया तरल हाइड्रोजन की तुलना में लगभग 50% अधिक ऊर्जा‑घनत्व वाला भी है।

स्रोत: Kleinman Center For Energy Policy

यह ऊर्जा घनत्व और आसान भंडारण अमोनिया को परिवहन में उपयोग के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार बनाता है, विशेष रूप से ऊर्जा‑गहन लंबी दूरी की यात्रा जैसे शिपिंग में, जिसे हमने “Decarbonizing Global Shipping Lanes Through Green Ammonia” में विस्तृत रूप से चर्चा की थी।

यह अमोनिया को वर्ष या महीने‑भर के भंडारण के लिए भी एक अच्छा उम्मीदवार बनाता है, जो हरी ऊर्जा पर निर्भर ग्रिड के संतुलन की एक पुरानी समस्या है, जहाँ उदाहरण के तौर पर गर्मियों में या तेज़ हवाओं के हफ़्तों में अधिक सौर ऊर्जा का उपयोग अतिरिक्त अमोनिया उत्पादन में किया जा सकता है, जिसे सर्दियों या कम‑हवा वाले मौसम में उपयोग किया जाएगा।

अमोनिया उत्पादन में समस्याएँ

जब तक अमोनिया उत्पादन हाबर‑बॉश पर निर्भर रहता है, इस स्विच को अधिक हरित ईंधन में समय लग सकता है।

मुख्य कारण यह है कि हरा हाइड्रोजन उत्पादन जटिल और महंगा है, अक्सर प्लेटिनम जैसे दुर्लभ धातुओं की आवश्यकता होती है, हालांकि नैनोटेक्नोलॉजी में प्रगति, जैसे निकेल के नैनोरॉड का उपयोग, के कारण यह बदलने की संभावना है।

दूसरा कारण यह है कि हाइड्रोजन से अमोनिया उत्पादन एक बहु‑चरणीय प्रक्रिया है, जहाँ प्रत्येक चरण को पूंजी निवेश की आवश्यकता होती है और संपूर्ण उत्पादन प्रक्रिया की कुल ऊर्जा उपज को घटाता है:

• सबसे पहले सौर, पवन या जलविद्युत तकनीकों से नवीकरणीय ऊर्जा उत्पन्न की जानी चाहिए।
• फिर वह बिजली इलेक्ट्रोलाइज़र तक पहुँचाई जाती है जो हाइड्रोजन बनाता है।
• हाइड्रोजन को फिर अमोनिया उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है।

चूंकि नवीकरणीय ऊर्जा सामान्यतः अधिक अस्थिर और विकेन्द्रीकृत होती है, इससे केंद्रीकृत हाइड्रोजन और अमोनिया उत्पादन की आवश्यकता के कारण अतिरिक्त लागत उत्पन्न होती है।

“वर्तमान में, अमोनिया का उत्पादन केंद्रीकृत उत्पादन और उत्पाद के दीर्घ दूरी परिवहन की आवश्यकता रखता है। हमें कम लागत, विकेन्द्रीकृत और स्केलेबल ‘हरा अमोनिया’ चाहिए।”

प्रो. PJ Cullen – University of Sydney के प्रोफेसर और Net Zero Institute

गैर‑थर्मल प्लाज़्मा कैसे हरे अमोनिया में क्रांति ला सकता है

गैर‑थर्मल प्लाज़्मा क्या है?

हाबर‑बॉश के अलावा अमोनिया उत्पादन के अन्य तरीके मौजूद हैं। सामान्य विचार यह है कि बिजली का उपयोग करके नाइट्रोजन को ऑक्सीकरण किया जाए, और फिर हाइड्रोजन परमाणु जोड़े जाएँ (नाइट्रोजन कमी प्रतिक्रिया – eNRR)।

हालाँकि, इन तरीकों को नाइट्रोजन की कम घुलनशीलता और पानी वाले घोलों में अनचाहे अन्य प्रतिक्रियाओं द्वारा सीमित किया जाता है। इसलिए गैर‑थर्मल प्लाज़्मा (NTP) को माना जाता है, क्योंकि NTP ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं के लिए रासायनिक कमी की तुलना में अधिक उपयुक्त है।

स्रोत: Angewandte Chemie

परिणामी नाइट्रेट (NO₃⁻) और नाइट्राइट (NO₂⁻) की पानी में घुलनशीलता N₂ की लगभग 40,000 गुना अधिक होती है।

ये विधियाँ आशाजनक हैं, लेकिन इनसे नाइट्रोजन और ऑक्सीजन को हवा से निकालकर शुद्ध करना पड़ता है, जिससे लागत बढ़ती है।

इसी कारण ऐसी पद्धतियाँ आकर्षक हैं जहाँ हवा को सीधे सक्रिय करके NOx उत्पन्न किया जाता है और परिणामस्वरूप NOx मध्यवर्ती को इलेक्ट्रोकेमिकल रूपांतरण द्वारा NH₄⁺ में घटाया जाता है।

कॉपर‑आयरन उत्प्रेरक

शोधकर्ताओं ने कॉपर (P-Cu) का एक नैनोग्रिड उपयोग किया, जिसमें ऑक्सीजन प्लाज़्मा वातावरण का उपयोग करके दोष (CuOx/Cu) और अत्यधिक प्रतिक्रियाशील प्रजातियों जैसे O⁻ आयन, O परमाणु, और O₃ (ओज़ोन) अणु बनाए गए। ये प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियाँ Cu के साथ प्रतिक्रिया करके सतह का ऑक्सीकरण करती हैं।

फिर आयरन परमाणुओं के जोड़ने से सतह पर स्थिर Fe–O–Cu पुल बंध बन गए।

स्रोत: Angewandte Chemie

ऊर्जा‑विक्षेपित एक्स‑रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) का उपयोग करके, शोधकर्ता इस प्रक्रिया द्वारा बनायी गई अत्यधिक जटिल क्रिस्टल संरचनाओं का अध्ययन कर सके। बहुत छोटे रॉड और जटिल संरचनाओं ने सामग्री की सतह को बढ़ाया, जिससे यह एक बेहतर उत्प्रेरक बन गया।

स्रोत: Angewandte Chemie

अमोनिया की इलेक्ट्रोकैटलिसिस

Fe₂O₃ NPs/Cu को नाइट्रोजन और पानी से अमोनिया उत्पादन के लिए कैथोड के रूप में उपयोग किया गया, जो नाइट्रोजन के ऑक्सीकरण और पानी के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन उत्पन्न करने दोनों को सीधे नियंत्रित करता है।

परीक्षणों ने सिद्ध किया कि कॉपर पर Fe₂O₃ के परिचय से इलेक्ट्रोकैटलिटिक सक्रियता प्रभावी रूप से बढ़ती है।

स्रोत: Angewandte Chemie

उन्होंने विस्तृत रूप से विश्लेषण किया कि अमोनिया उत्पादन कैसे कार्य करता है, और पुष्टि की कि यह वास्तव में एक जटिल, बहु‑परत रासायनिक प्रतिक्रिया है जो बहुत तेज़ी से होती है, जहाँ NO₂ NH₃ में बदल जाता है।

स्रोत: Angewandte Chemie

और अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि इस प्रतिक्रिया की 300 mA पर लगभग 100 % फ़राडिक दक्षता थी, जिसका अर्थ है कि उपयोग की गई अधिकांश बिजली रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, जिससे यह क्लासिक जल इलेक्ट्रोलिसिस (हाइड्रोजन उत्पादन के लिए) और फिर नाइट्रोजन‑से‑अमोनिया परिवर्तन की कई चरणों की तुलना में एक क्रम magnitude अधिक कुशल बनती है।

“यह नई पद्धति दो‑चरणीय प्रक्रिया है, अर्थात प्लाज़्मा और इलेक्ट्रोलिसिस को मिलाना। हमने पहले ही ऊर्जा दक्षता और स्केलेबिलिटी के संदर्भ में प्लाज़्मा घटक को व्यावहारिक बना दिया है।”

प्रो. PJ Cullen – University of Sydney के प्रोफेसर और Net Zero Institute

आगे बढ़ते हुए

समग्र रूप से, यह विधि दर्शाती है कि अमोनिया उत्पादन के अन्य मार्ग मौजूद हैं जो पूरी तरह से हाबर‑बॉश प्रक्रिया को बायपास कर सकते हैं, और प्रारम्भ में अलग से हरा हाइड्रोजन उत्पादन की आवश्यकता को समाप्त कर सकते हैं।

यह भी इस तकनीक के पिछले संस्करण की तुलना में एक सुधार दर्शाता है, जिसमें आयरन के बजाय कॉपर‑पैलैडियम उत्प्रेरक का उपयोग करना पड़ता था, जबकि पैलैडियम एक महंगी धातु है।

यह अध्ययन मुख्यतः बिना फ़िल्टर और शुद्ध हवा से सीधे नाइट्रोजन के ऑक्सीकरण के लिए एक कुशल उत्प्रेरक के विकास पर केंद्रित था।

इसे आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए, हाइड्रोजन उत्पन्न करने वाले इलेक्ट्रोलाइज़र घटक को अभी भी सुधारने की आवश्यकता होगी। सौभाग्य से, गैर‑परम्परागत उत्प्रेरकों या यहाँ तक कि स्व‑अनुकूलित उत्प्रेरकों का उपयोग करके हाइड्रोजन उत्पादन में प्रगति हो रही है।

इसलिए मध्यम अवधि में, हम विभिन्न तकनीकों के संयोजन को एक व्यावसायिक अमोनिया उत्पादन मशीन में देखेंगे, जैसे कि कॉपर और आयरन का उपयोग करके प्लाज़्मा द्वारा सीधे नाइट्रोजन ऑक्सीकरण, और समान रूप से सस्ते धातुओं का उपयोग करके जल इलेक्ट्रोलिसिस।

इन इकाइयों को सीधे हरी ऊर्जा उत्पादन साइटों पर स्थापित किया जा सकता है, और उत्पन्न अमोनिया को तुलनात्मक रूप से सस्ते टैंक (हाइड्रोजन की तुलना में) में संग्रहीत किया जा सकता है, जिसे पाइपलाइन, ट्रकों या टैंकरों द्वारा परिवहन किया जाएगा।

संभवतः वे कंपनियाँ जो हरी ऊर्जा उत्पादन, अमोनिया उत्पादन और अमोनिया शिपिंग को ऊर्ध्वाधर रूप से एकीकृत कर सकेंगी, इस प्रकार के डिज़ाइन से सबसे अधिक लाभान्वित होंगी।

अमोनिया कंपनी

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon, Aker समूह की एक सहायक कंपनी है जो हरी ऊर्जा पर केंद्रित है। यह समूह नॉर्वे का एक बड़ा समूह है जो नवीकरणीय और समुद्री/ऑफ़शोर व्यवसायों पर ध्यान देता है।

स्रोत: Aker

Aker Horizon कई सहायक कंपनियों की होल्डिंग कंपनी है, जिसमें हरा हाइड्रोजन, ऑनशोर और ऑफशोर पवन फार्म, और सौर फार्म शामिल हैं। इसमें Mainstream Renewable Power भी शामिल है, जो दक्षिण अफ्रीका (12.3 GW) और अन्य देशों (एशिया, दक्षिण अमेरिका, यूरोप) में 20.4 GW नवीकरणीय ऊर्जा के विकास में लगी एक उपयोगिता कंपनी है।

यह कंपनी हाइड्रोजन और हरे अमोनिया उत्पादन में विशेष रूप से सक्रिय है, जिसका लक्ष्य आर्कटिक शिपिंग को डिकार्बोनाइज़ करना है, साथ ही डेटा सेंटरों की भी रुचि है।

स्रोत: Aker

यह कंपनी केवल एक शुद्ध हरा अमोनिया कंपनी नहीं है, बल्कि यह हरे अमोनिया की पूरी ऊर्ध्वर एकीकरण संभाल सकता है, ऑफशोर पवन टरबाइन से लेकर हाइड्रोजन उत्पादन (अभी के लिए) और हरे अमोनिया उत्पादन तक। यह फ्रांस में कचरे से ऊर्जा, जर्मनी में बायोमास प्लांट, और मध्य पूर्व (सऊदी अरब और यूएई) में कार्बन कैप्चर जैसे प्रोजेक्ट्स पर भी काम कर रहा है।

मई 2025 में, हरे ऊर्जा क्षेत्र में कम कीमतों के कारण Aker ने कुछ पुनर्गठन पर विचार किया, मुख्यतः अपनी कार्बन कैप्चर संचालन को पूरी तरह पुनः प्राप्त करने और AKH Holding (Mainstream Renewable Power और Narvik हरे अमोनिया प्रोजेक्ट्स) को Aker Horizon में पुनः एकीकृत करने की योजना बनाई, कुछ शेयरों के अलग‑अलग लिस्टिंग के बाद।

स्रोत: Aker

यह उन निवेशकों के लिए एक अच्छा स्टॉक बनाता है जो व्यापक हरे ऊर्जा क्षेत्र में दीर्घकालिक एक्सपोजर चाहते हैं, हरे अमोनिया में मजबूत स्थिति के साथ, साथ ही अन्य हरी ऊर्जा और उत्तरी अमेरिकी स्टॉक्स से कुछ भौगोलिक विविधीकरण भी।

उल्लेखित अध्ययन

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma‑Driven Air‑to‑Ammonia Conversion. Angewandte Chemie. 22 अप्रैल 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}