TiO2 பரப்பில் நீர் தளர்வாக ஒட்டினால் ஹைட்ரஜன் உற்பத்தி கூடுகிறதா?

ஜப்பானின் ஆய்வாளர்கள் ஒரு சுவாரஸ்யமான கண்டுபிடிப்பை வெளியிட்டுள்ளனர். டைட்டேனியம் டை ஆக்சைடு (TiO2) பரப்பில் தளர்வாக ஒட்டிக்கொள்ளும் நீர் மூலக்கூறுகள் உள்ளன. இவை அவற்றுக்கிடையே நெகிழ்வான வலைப்பின்னல்களை உருவாக்குகின்றன. ஒளி பட்டதும், இந்த நீர் நீரைப் பிரித்து ஹைட்ரஜன் வாயுவை உருவாக்குவதில் அதிக செயல்திறன் காட்டுகிறது. இது சுத்தமான ஹைட்ரஜன் உற்பத்திக்கான வினையூக்கி வடிவமைப்பு குறித்த பல தசாப்த கால நம்பிக்கைகளை மறுபரிசீலனை செய்யவைக்கும் கண்டுபிடிப்பாகும்.

ஒளிவினையூக்க ஹைட்ரஜன் உற்பத்தி என்பது ஒளி ஒரு வினையூக்கியில் (catalyst) பட்டு, நீரை ஹைட்ரஜனாகவும் ஆக்ஸிஜனாகவும் பிரிக்கும் வேதிவினையைத் தூண்டும் செயல்முறையாகும். இது சூரிய ஒளியை சேமிக்கக்கூடிய எரிபொருளாக மாற்றும் வழிமுறையாகும். டைட்டேனியம் டை ஆக்சைடு (TiO2) என்ற பொதுவான வெண்மையான கனிமச் சேர்மம், இந்த வினைக்குப் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் ஒளிவினையூக்கியாகும். ஆனால் அதன் பரப்பில் ஒட்டியிருக்கும் மெல்லிய நீர்ப்படலம் — அதாவது 'இடைமுக நீர்' — இந்த வினையை எப்படிப் பாதிக்கிறது என்பது நீண்டகாலமாக தெளிவற்றதாகவே இருந்தது.

மூலக்கூறு அறிவியல் நிறுவனத்தில் பணியாற்றும் டாக்டர் ஜோங்கியூ லின், துணைப் பேராசிரியர் தோஷிகி சுகிமோட்டோ மற்றும் அவர்களது குழுவினர் ஒரு புதிய ஆய்வு முறையைப் பயன்படுத்தினர். அவர்கள் அகச்சிவப்பு ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபியை நேரடி வெகுஜன ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரியுடன் இணைத்தனர். அகச்சிவப்பு ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி என்பது, மூலக்கூறுகள் அகச்சிவப்பு ஒளியை எவ்வாறு உறிஞ்சுகின்றன என்பதன் மூலம் அவற்றை அடையாளம் காணும் நுட்பமாகும். இந்த முறைகளைப் பயன்படுத்தி, வெவ்வேறு பரப்புப் பண்புகளைக் கொண்ட அனாடேஸ் TiO2 ஒளிவினையூக்கிகளை அவர்கள் ஆய்வு செய்தனர். ஒரு மூலக்கூறு அடுக்கின் ஒரு பகுதி முதல் பல அடுக்குகள் வரையிலான நீர் மூடலில் இந்த ஆய்வு நடத்தப்பட்டது. பரப்பளவையும் ஒட்டியிருக்கும் நீரின் அளவையும் கணக்கில் கொண்டதன் மூலம், இடைமுக நீரின் உண்மையான வினைத்திறனை மட்டும் தனித்து அறிய முடிந்தது.

வழக்கமான கருத்துப்படி, நீர் TiO2 உடன் வலுவாக ஒட்டிக்கொள்வது நல்லது என்று கருதப்பட்டது. ஏனெனில் அது ஒளியால் உருவாகும் மின்சுமை கடத்திகளை பிடித்து வைத்து, அவை மீண்டும் இணைவதைத் தாமதப்படுத்தும். ஆனால் இந்தக் குழு ஒரு வேறுபட்ட முடிவைக் கண்டறிந்தது. TiO2 உடன் ஒப்பீட்டளவில் பலவீனமான தொடர்பு கொண்ட நீர் ஹைட்ரஜன் உற்பத்தியில் அதிக வினைத்திறனுடன் தொடர்புடையதாக இருந்தது. இந்த நீரில், மூலக்கூறுகளுக்கிடையே பலவீனமான, நெகிழ்வான ஹைட்ரஜன்-பிணைப்பு வலைப்பின்னல்கள் இருந்தன. நெகிழ்வான வலைப்பின்னல்கள் நீர் மூலக்கூறுகள் மறுசீரமைவு அடைவதை எளிதாக்குகின்றன என்று ஆய்வாளர்கள் கூறுகின்றனர். இந்த மறுசீரமைவு, வினையின் வேக-நிர்ணய படியான ஆரம்ப நீர் ஆக்ஸிஜனேற்ற வினையின்போது நடைபெறுகிறது. இந்த ஆக்ஸிஜனேற்ற வினை இடைமுகத்தில் புரோட்டானுடன் இணைந்த மின்னூட்ட இடமாற்றம் மூலம் நிகழ்கிறது.

இந்த ஆய்வு ஜர்னல் ஆஃப் பிசிக்கல் கெமிஸ்ட்ரி லெட்டர்ஸ் இதழில் வெளியானது. வலுவாக ஒட்டியிருக்கும் நீர்ப் பரப்புகளுக்குப் பதிலாக, பலவீனமான, நெகிழ்வான இடைமுக நீர் வலைப்பின்னல்களைக் கொண்ட ஒளிவினையூக்கி பரப்புகளை வடிவமைக்கலாம் என்று ஆய்வு கூறுகிறது. இது மேலும் திறன்மிக்க ஹைட்ரஜன் உற்பத்தி வினையூக்கிகளை உருவாக்குவதற்கான புதிய வழியைத் திறக்கலாம்.