सिलिकॉन कार्बाइड हाइड्रोजन फोटोकेटालिसिस के उम्मीदवार के रूप में सुधार करता है

हाइड्रोजन डिकार्बोनाइजेशन के लिए क्यों आवश्यक है

जैसे-जैसे हम अपनी ऊर्जा प्रणालियों को डिकार्बोनाइज़ करने की खोज जारी रखते हैं, यह स्पष्ट हो जाता है कि कुछ प्रक्रियाओं को केवल हरी बिजली से अधिक की आवश्यकता हो सकती है। यह संभवतः परिवहन के लिए सत्य है, विशेष रूप से बसों और ट्रकों जैसे भारी-ड्यूटी कार्यों के लिए, शिपिंग और उड़ान के लिए निश्चित रूप से सत्य है, और इस तरह के भारी उद्योगों जैसे इस्पात निर्माण और रसायन उत्पादन के लिए भी समान रूप से आवश्यक है।

कारण यह है कि कुछ अनुप्रयोगों को या तो बहुत उच्च तापमान की दहन (धातु विज्ञान) की आवश्यकता होती है, मीथेन का उपयोग किए बिना ऊर्जा‑सम्पन्न हाइड्रोजन परमाणुओं की आपूर्ति (रासायनिक उद्योग) की, या बहुत अधिक ऊर्जा‑घनत्व वाला ईंधन (शिपिंग) चाहिए, जिसके लिए विद्युत शक्ति और बैटरियां उपयुक्त नहीं हैं।

“पैसेंजर कारों में बैटरी हो सकती है, लेकिन भारी ट्रकों, जहाज़ों या विमानों में ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए बैटरी का उपयोग नहीं किया जा सकता। इन परिवहन साधनों के लिए हमें स्वच्छ और नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत खोजने की आवश्यकता है, और हाइड्रोजन एक अच्छा उम्मीदवार है।”
Jianwu Sun – लिंकॉपिंग विश्वविद्यालय में एसोसिएट प्रोफेसर

इसीलिए शोधकर्ता और जलवायु कार्यकर्ता हरे हाइड्रोजन पर विचार कर रहे हैं, जो जीवाश्म ईंधन के बिना उत्पन्न होता है, एक विकल्प के रूप में। समस्या यह है कि हरे हाइड्रोजन का उत्पादन अभी तक इतना महंगा रहा है कि इसे जीवाश्म ईंधनों के मुकाबले बड़े पैमाने पर अपनाया जा सके।

हरी हाइड्रोजन उत्पादन चुनौती को कैसे हल करें

अब तक, हाइड्रोजन उत्पादन के अधिकांश तरीकों में दो‑चरणीय प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है:

1. पहले, सौर, पवन, जलविद्युत या किसी अन्य नवीकरणीय ऊर्जा रूप से हरी ऊर्जा उत्पन्न करें।
2. दूसरे, इस हरी बिजली का उपयोग करके पानी को हाइड्रोजन में बदलने वाली उत्प्रेरण प्रक्रिया को चलाएँ।

इसका समस्या यह है कि कोई भी बहु‑चरणीय प्रक्रिया अनिवार्य रूप से कम दक्ष होती है।

उदाहरण के लिए, सौर पैनलों द्वारा सूर्य के प्रकाश को केवल 20‑25% दक्षता से बिजली में बदला जाता है; फिर, इस बिजली को हाइड्रोजन उत्प्रेरक तक पहुँचाया जाता है, जिसकी दक्षता भी अपेक्षाकृत कम होती है। अंत में, सौर ऊर्जा से हाइड्रोजन तक कुल दक्षता संभवतः एक अंक के नीचे के प्रतिशत में होगी।

और लागत का प्रश्न भी है। उत्प्रेरक संभवतः प्लेटिनम या पैलेडियम जैसे दुर्लभ धातुओं का उपयोग करता है। नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन में भी चांदी जैसे दुर्लभ पदार्थों की आवश्यकता होती है, और सौर फार्म से उत्प्रेरक तक बिजली के संचरण के लिए अक्सर बड़े निवेश की आवश्यकता होती है।

अंत में, अधिकांश हाइड्रोजन‑उत्पादक उत्प्रेरकों को स्थिर विद्युत शक्ति की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि आवश्यक बुनियादी ढाँचे में बड़े बैटरी सिस्टम को अतिरिक्त घटकों के रूप में जोड़ना पड़ता है।

इसे हल करने के लिए कई संभावित दृष्टिकोणों की खोज की जा रही है। उदाहरण के लिए, हमने पहले चर्चा की थी:

• हाइड्रोजन उत्पादन के लिए विभिन्न सामग्री का उपयोग, जैसे tungsten-cobalt या nickel।
• प्लेटिनम और कोबाल्ट की मशीनिंग से उत्पन्न स्क्रैप धातु का उपयोग।
• रुथेनियम नैनोपार्टिकल्स के साथ कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण प्रक्रिया बनाना।

इनमें से प्रत्येक विधि अंततः सस्ते उत्प्रेरकों के निर्माण में सफल हो सकती है, जो हाइड्रोजन उत्पादन के लिए नई प्लेटिनम की महंगी मात्रा की आवश्यकता नहीं रखते।

लेकिन एक नया दृष्टिकोण प्रत्यक्ष फोटोकेटालिसिस है, अर्थात् पानी को सीधे सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा से हाइड्रोजन में बदलना, बिना पहले विद्युत शक्ति में परिवर्तित किए। प्रत्यक्ष फोटोकेटालिसिस न केवल कई चरणों की आवश्यकता को समाप्त कर सकता है, बल्कि हरे ऊर्जा उत्पादन और बुनियादी ढाँचे के निर्माण में सरल और कम दुर्लभ सामग्री का उपयोग करता है।

यह दृष्टिकोण लिंकॉपिंग विश्वविद्यालय (स्वीडन), क्यूशू विश्वविद्यालय (जापान), मैक्स IV प्रयोगशाला (स्वीडन), और दालियन यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी (चीन) के शोधकर्ताओं द्वारा समर्थित है। उन्होंने अपनी नवीनतम प्रगति को जर्नल ऑफ द अमेरिकन केमिकल सोसाइटी¹ में “ड्यूल‑इंटरफ़ेस इंजीनियरिंग द्वारा 3C‑SiC फोटोएनोड की इलेक्ट्रॉन संरचना का नियंत्रण, जिससे सौर जल विभाजन में सुधार” शीर्षक के तहत प्रकाशित किया।

फोटोकेटालिसिस के लिए सिलिकॉन कार्बाइड

सिलिकॉन कार्बाइड प्रत्यक्ष फोटोकेटालिसिस को कैसे सक्षम करता है

इस शोध टीम ने पहले क्यूबिक सिलिकॉन कार्बाइड (3C‑SiC) नामक सामग्री पर काम किया है।

स्रोत: RRL Solar

यह सामग्री फोटोकेमिकल जल विभाजन प्रतिक्रिया के माध्यम से हाइड्रोजन उत्पादन के लिए सूर्य के प्रकाश को प्रभावी रूप से पकड़ सकती है।

स्रोत: RRL Solar

जब सूर्य का प्रकाश इस सामग्री पर पड़ता है, तो विद्युत आवेश उत्पन्न होते हैं (जैसे पॉलीसिलिकॉन सौर पैनल में), जिन्हें फिर जल को विभाजित करने के लिए उपयोग किया जाता है।

इस अनुप्रयोग के लिए सामग्री के विकास में एक चुनौती यह है कि सकारात्मक और नकारात्मक आवेशों को फिर से मिलकर एक-दूसरे को निरस्त न करने दिया जाए।

इसलिए, जल को हाइड्रोजन में विभाजित करने को अधिक प्रभावी बनाने के लिए, विद्युत आवेशों को अलग रखना महत्वपूर्ण है।

नया त्रि‑परत सिलिकॉन कार्बाइड उत्प्रेरक डिज़ाइन

शोधकर्ताओं ने क्यूबिक सिलिकॉन कार्बाइड की एक परत को दो अन्य परतों के साथ मिलाया, जिसमें निकेल हाइड्रॉक्साइड (Ni(OH)2) और कोबाल्ट ऑक्साइड (Co3O4) का उपयोग किया गया।

टीम ने पहले सब्लिमेशन तकनीक का उपयोग करके क्यूबिक सिलिकॉन कार्बाइड का उत्पादन पूर्ण किया था, और एक्स‑रे डिफ्रैक्शन (XRD) से क्रिस्टल की गुणवत्ता की पुष्टि की थी।

स्रोत: Journal of the American Chemical Society

उन्होंने यह भी पुष्टि की कि परतों के बीच का इंटरफ़ेस विद्युत आवेशों की आयु को बढ़ाता है, जिससे इलेक्ट्रॉनों के जल को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं में उपयोग होने की संभावना बढ़ती है।

“यह एक बहुत जटिल संरचना है, इसलिए इस अध्ययन में हमारा ध्यान प्रत्येक परत के कार्य को समझने और यह कैसे सामग्री की विशेषताओं को सुधारने में मदद करती है, पर रहा है।

नया पदार्थ शुद्ध क्यूबिक सिलिकॉन कार्बाइड की तुलना में जल को हाइड्रोजन में विभाजित करने में आठ गुना बेहतर प्रदर्शन करता है।”

Jianwu Sun – लिंकॉपिंग विश्वविद्यालय में एसोसिएट प्रोफेसर

फोटोकेटालिसिस दक्षता को बढ़ाने के अगले कदम

अब तक, सिलिकॉन कार्बाइड फोटोकेटालिसिस केवल 1‑3% ऊर्जा दक्षता तक ही पहुँच पाया है।

निकेल हाइड्रॉक्साइड की संरचनाओं के नीचे कोबाल्ट ऑक्साइड की “P‑टाइप” परत की उपस्थिति इलेक्ट्रॉनों की गति को तेज करती है, जिससे हाइड्रोजन उत्पादन तेज हो जाता है।

स्रोत: Journal of the American Chemical Society

हालांकि अभी तक लक्ष्य तक नहीं पहुँचा है, शोधकर्ता अनुमान लगाते हैं कि उनकी विधि से इसे काफी हद तक सुधारा जा सकता है।

अंततः, 10% से अधिक की दक्षता की उम्मीद है, बिना किसी प्लेटिनम या पैलेडियम की आवश्यकता के, न ही किसी जटिल बुनियादी ढाँचे या निरंतर शक्ति आपूर्ति की शर्त के, क्योंकि सूर्य की रोशनी पड़ते ही डिवाइस पर हाइड्रोजन का उत्पादन सीधे हो जाता है।

सिलिकॉन कार्बाइड कंपनियों में निवेश

ON Semi

ON Semi एक अर्धचालक कंपनी है जो इलेक्ट्रिफिकेशन में विशेषज्ञता रखती है, जिसमें ऑटोमोबाइल शामिल है, लेकिन सौर ऊर्जा, बैटरियां, एयरोस्पेस, टेलीकम्यूनिकेशन, डेटा सेंटर और मेडिकल जैसे अन्य क्षेत्रों में भी।

इस प्रकार, यह विश्व की कई सबसे बड़ी औद्योगिक कंपनियों के लिए एक प्रमुख साझेदार है।

स्रोत: ON Semi

ON Semi की तकनीकी लाभ का एक बड़ा हिस्सा सिलिकॉन कार्बाइड पर आधारित है, जो सिलिकॉन‑कार्बन यौगिक का एक प्रकार है और उच्च‑ऊर्जा इलेक्ट्रिक सिस्टमों में उपयोग होता है। यह विशेष रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों (EVs) की तेज़ चार्जिंग के लिए आवश्यक बहुत उच्च पावर लोड को संभालने में सक्षम बनाता है।

सिलिकॉन कार्बाइड वह रासायनिक पदार्थ है जिसे हाल ही में शोधकर्ताओं ने अर्धचालक ग्रैफ़ीन विकसित करने के लिए उपयोग किया है, जैसा कि हमारे लेख “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” में चर्चा की गई है, और जैसा कि यहाँ भी बताया गया है, इसका हाइड्रोजन उत्पादन की संभावना भी है।

सिलिकॉन कार्बाइड पर दोहरी निवेश की ON Semi की रणनीति ने कंपनी को पिछले कुछ वर्षों में राजस्व में उछाल दिया है, जो EV क्रांति द्वारा संचालित है।

स्रोत: ON Semiconductor [securities_stock_price_tag symbol="ON" exchange="NASDAQ"]

सिलिकॉन कार्बाइड का उपयोग करने वाले अधिक शक्तिशाली और कुशल बैटरियां और इलेक्ट्रिक सिस्टम वैश्विक आपूर्ति श्रृंखला में लगातार अधिक महत्वपूर्ण होते जा रहे हैं। इस क्षेत्र के नेता के रूप में, ON Semi को इलेक्ट्रिफिकेशन प्रवृत्ति, विशेष रूप से EVs और अन्य हरे ऊर्जा स्रोतों से काफी लाभ मिलने की संभावना है।

(आप इस कंपनी के बारे में एक विस्तृत लेख “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification” में भी पढ़ सकते हैं।)

ON Semi (ON) स्टॉक समाचार और विकास

संदर्भित अध्ययन

^{1. Hui Zeng, et al. (2025) ड्यूल‑इंटरफ़ेस इंजीनियरिंग द्वारा 3C‑SiC फोटोएनोड की इलेक्ट्रॉन संरचना का नियंत्रण, जिससे सौर जल विभाजन में सुधार हुआ। Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005}