TiO2 सतह पर कमज़ोर पानी बॉन्ड से हाइड्रोजन उत्पादन बढ़ा

जापान के वैज्ञानिकों ने एक दिलचस्प खोज की है। टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) की सतह से थोड़ा ढीला जुड़ने वाले पानी के अणु आपस में अधिक लचीले नेटवर्क बनाते हैं। रोशनी पड़ने पर, ऐसा पानी पानी को तोड़कर हाइड्रोजन गैस बनाने में ज़्यादा कारगर साबित होता है। यह खोज साफ हाइड्रोजन बनाने वाले उत्प्रेरकों (catalysts) के डिज़ाइन को लेकर दशकों पुरानी धारणाओं को चुनौती देती है।

फोटोकैटलिटिक हाइड्रोजन एवोल्यूशन यानी प्रकाश-उत्प्रेरित हाइड्रोजन उत्पादन में, रोशनी किसी उत्प्रेरक (catalyst) पर पड़ती है। यह एक रासायनिक क्रिया को गति देती है जो पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में तोड़ देती है। इस तरह सूरज की रोशनी एक ऐसे ईंधन में बदल जाती है जिसे जमा करके रखा जा सके। टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2), एक आम सफ़ेद खनिज यौगिक, इस काम के लिए व्यापक रूप से इस्तेमाल होने वाला फोटोकैटलिस्ट है। लेकिन इसकी सतह पर मौजूद पानी की पतली परत — जिसे 'इंटरफेशियल वॉटर' यानी सतह-सीमा का पानी कहा जाता है — यह क्रिया को कैसे प्रभावित करती है, यह लंबे समय से स्पष्ट नहीं था।

इंस्टीट्यूट फॉर मॉलिक्यूलर साइंस के डॉ. झोंगकियू लिन, एसोसिएट प्रोफेसर तोशिकी सुगिमोतो और उनके सहयोगियों ने एक नई विधि अपनाई। उन्होंने इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी को रियल-टाइम मास स्पेक्ट्रोमेट्री के साथ मिलाया। इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी एक ऐसी तकनीक है जो अणुओं की पहचान इस आधार पर करती है कि वे इन्फ्रारेड रोशनी को कैसे सोखते हैं। इन तरीकों का इस्तेमाल कर उन्होंने अलग-अलग सतह गुणों वाले एनाटेस TiO2 फोटोकैटलिस्ट का अध्ययन किया। यह अध्ययन पानी की एक अणु-परत के एक हिस्से से लेकर कई परतों तक की मोटाई में किया गया। सतह क्षेत्रफल और मौजूद पानी की मात्रा दोनों को ध्यान में रखकर, टीम यह अलग से पता लगा सकी कि इंटरफेशियल पानी खुद कितना क्रियाशील था।

पारंपरिक धारणा यह थी कि पानी का TiO2 से मज़बूती से जुड़ना फायदेमंद है। ऐसा इसलिए, क्योंकि यह रोशनी से बने चार्ज कैरियर को पकड़कर रखता है और उनके फिर से मिलने (recombination) में देरी करता है। लेकिन टीम ने एक अलग बात पाई। TiO2 के साथ अपेक्षाकृत कमज़ोर जुड़ाव रखने वाला पानी हाइड्रोजन उत्पादन में ज़्यादा क्रियाशीलता से जुड़ा था। इस पानी में, अणुओं के बीच कमज़ोर और अधिक लचीले हाइड्रोजन-बॉन्ड नेटवर्क थे। शोधकर्ताओं का कहना है कि अधिक लचीले नेटवर्क, पानी के अणुओं को फिर से व्यवस्थित होने में आसानी देते हैं। यह प्रतिक्रिया के सबसे धीमे और निर्णायक चरण के दौरान होता है, यानी इंटरफेस पर प्रोटॉन-युग्मित चार्ज स्थानांतरण से होने वाली शुरुआती पानी ऑक्सीकरण क्रिया के दौरान।

यह अध्ययन द जर्नल ऑफ फिजिकल केमिस्ट्री लेटर्स में प्रकाशित हुआ। अध्ययन के अनुसार, मज़बूती से चिपके पानी के बजाय कमज़ोर, लचीले इंटरफेशियल पानी नेटवर्क वाली फोटोकैटलिस्ट सतहें डिज़ाइन की जा सकती हैं। इससे ज़्यादा कुशल हाइड्रोजन बनाने वाले उत्प्रेरकों के लिए एक नया रास्ता खुल सकता है।