Heterogeneous water oxidation
জল জারণ হল জল বিভাজনের অর্ধ প্রতিক্রিয়াগুলির মধ্যে একটিঃ 2H2O → O2 + 4H + + 4e-জারণ (ডাইঅক্সিজেন উৎপাদন) 4H + + 4e − → 2H2Reduction (ডাইহাইড্রোজেন উৎপাদন) 2H2O → 2H2 + O2 মোট প্রতিক্রিয়া দুটি অর্ধ প্রতিক্রিয়ার মধ্যে, জারণ পদক্ষেপটি সবচেয়ে বেশি চাহিদাপূর্ণ কারণ এর জন্য 4টি ইলেক্ট্রন এবং প্রোটন স্থানান্তর এবং একটি অক্সিজেন-অক্সিজেন বন্ধন গঠনের প্রয়োজন হয়। এই প্রক্রিয়াটি উদ্ভিদ সালোকতন্ত্র 2-এ সালোকসংশ্লেষণ প্রক্রিয়ার জন্য প্রোটন এবং ইলেক্ট্রন সরবরাহ করতে এবং বায়ুমণ্ডলে অক্সিজেন ছেড়ে দেওয়ার পাশাপাশি কিছু বৈদ্যুতিন প্রক্রিয়াতেও প্রাকৃতিকভাবে ঘটে। যেহেতু হাইড্রোজেনকে বিকল্প পরিষ্কার জ্বালানি হিসাবে ব্যবহার করা যেতে পারে, তাই জলকে দক্ষতার সাথে বিভক্ত করার প্রয়োজন রয়েছে। যাইহোক, এমন কিছু পরিচিত উপাদান রয়েছে যা হ্রাসের পদক্ষেপকে দক্ষতার সাথে মধ্যস্থতা করতে পারে তাই বর্তমান গবেষণার বেশিরভাগই জারণ অর্ধ বিক্রিয়াকে লক্ষ্য করে করা হয় যা অক্সিজেন বিবর্তন প্রতিক্রিয়া (ওইআর) নামেও পরিচিত। বর্তমান গবেষণা ও. ই. আর-এর প্রক্রিয়া বোঝার এবং প্রক্রিয়াটিকে অনুঘটক করে এমন নতুন উপকরণের বিকাশের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে। তাপগতিবিদ্যা জারণ এবং হ্রাস উভয় ধাপই পিএইচ-এর উপর নির্ভরশীল। চিত্র 1 সাধারণ হাইড্রোজেন বিদ্যুদ্বাহকের (এন. এইচ. ই) সাপেক্ষে পি. এইচ 0 (দৃঢ়ভাবে অম্লীয়)-এ আদর্শ সম্ভাব্যতা দেখায়। 2টি অর্ধ বিক্রিয়া (pH = 0-এ) জারণ 2H2O → 4H + + 4e − + O2E ° =-1.23 V বনাম NHE হ্রাস 4H + + 4e − → 2H2E ° = 0.00 V বনাম NHE সামগ্রিক 2H2O → 2H2 + O2E ° কোষ =-1.23 V; ΔG = 475 kJ/mol জল বিভাজন উচ্চতর pH মানগুলিতেও করা যেতে পারে তবে স্ট্যান্ডার্ড সম্ভাব্যতা নের্নস্ট সমীকরণ অনুসারে পরিবর্তিত হবে এবং তাই প্রতিটি pH একক বৃদ্ধির জন্য-59 mV দ্বারা স্থানান্তরিত হবে। যাইহোক, মোট কোষ সম্ভাব্যতা (জারণ এবং হ্রাস অর্ধ কোষ সম্ভাবনার মধ্যে পার্থক্য) 1.23 ভি থাকবে। এই সম্ভাব্যতা গিবস মুক্ত শক্তির (αG) সাথে সম্পর্কিত হতে পারেঃ αG° কোষ = −nFE° কোষ যেখানে n হল প্রতি মোল পণ্যের ইলেকট্রনের সংখ্যা এবং F হল ফ্যারাডে ধ্রুবক। অতএব, তাপগতিবিদ্যা দ্বারা গণনা করা O2-এর এক মোল তৈরি করতে 475 kJ শক্তি লাগে। কিন্তু বাস্তবে কোনও প্রক্রিয়াই এতটা কার্যকর হতে পারে না। সিস্টেমগুলি সর্বদা একটি অতিরিক্ত সম্ভাবনায় ভুগছে যা সক্রিয়করণ বাধা, ঘনত্বের প্রভাব এবং প্রতিরোধের কারণে ভোল্টেজ ড্রপ থেকে উদ্ভূত হয়। সক্রিয়করণ বাধা বা সক্রিয়করণ শক্তি উচ্চ শক্তি রূপান্তর অবস্থার সাথে যুক্ত যা ওইআর-এর তড়িৎরাসায়ন প্রক্রিয়া চলাকালীন পৌঁছায়। এই বাধাগুলি হ্রাস করার ফলে ও. ই. আর কম অতিরিক্ত ক্ষমতা এবং দ্রুত হারে ঘটতে পারে। প্রক্রিয়া ভিন্নধর্মী ওইআর সেই পৃষ্ঠের প্রতি সংবেদনশীল যা বিক্রিয়াটি ঘটায় এবং দ্রবণের পিএইচ দ্বারাও প্রভাবিত হয়। অ্যাসিডিক এবং ক্ষারীয় দ্রবণের সাধারণ প্রক্রিয়াটি নীচে দেখানো হয়েছে। অ্যাসিডিক অবস্থায় জল একটি ইলেক্ট্রন এবং একটি প্রোটনের অপরিবর্তনীয় অপসারণের মাধ্যমে প্ল্যাটিনাম হাইড্রক্সাইড গঠন করে। একটি ক্ষারীয় দ্রবণে একটি ইলেক্ট্রন জারণের সাথে যুক্ত হাইড্রক্সাইড আয়নটির একটি বিপরীতমুখী বন্ধন একটি টার্নওভার-সীমাবদ্ধ তড়িৎরাসায়ন পদক্ষেপের আগে একটি পৃষ্ঠ অক্সাইড প্রজাতি গঠনের জন্য একটি প্রোটন এবং একটি ইলেক্ট্রন অপসারণের সাথে জড়িত বলে মনে করা হয়। পিএইচ চরমতার মধ্যে প্রক্রিয়ার পরিবর্তনের জন্য জলের তুলনায় হাইড্রক্সাইড আয়নকে জারিত করার গতিবিদ্যার সুবিধার জন্য দায়ী করা হয়েছে। টাফেল সমীকরণ ব্যবহার করে, বিদ্যুৎ প্রবাহ ঘনত্ব এবং টাফেল ঢালের মতো বিদ্যুদ্বাহক পদার্থের গতিবিদ্যা সম্পর্কে গতিবিদ্যার তথ্য পাওয়া যায়। ও. ই. আর প্ল্যাটিনামের মতো পরিষ্কার ধাতব পৃষ্ঠে ঘটে না বলে মনে করা হয়, তবে পরিবর্তে অক্সিজেন বিবর্তনের আগে একটি অক্সাইড পৃষ্ঠ গঠিত হয়। অনুঘটক উপাদান ও. ই. আর বিভিন্ন উপকরণের উপর অধ্যয়ন করা হয়েছে যার মধ্যে রয়েছেঃ প্ল্যাটিনাম পৃষ্ঠের রূপান্তর ধাতব অক্সাইড প্রথম সারির রূপান্তর ধাতব স্পিনল এবং পেরোভস্কাইট। সম্প্রতি মেটাল-অর্গানিক ফ্রেমওয়ার্ক (এম. ও. এফ)-ভিত্তিক উপকরণগুলি প্রথম সারির রূপান্তর ধাতুগুলির সাথে জলের জারণের জন্য একটি অত্যন্ত আশাব্যঞ্জক প্রার্থী হিসাবে দেখানো হয়েছে। পৃষ্ঠের প্রস্তুতি এবং তড়িৎ বিশ্লেষণের অবস্থার প্রতিক্রিয়াশীলতার উপর একটি বড় প্রভাব রয়েছে (ত্রুটি, ধাপ, কিঙ্ক, নিম্ন স্থানাঙ্ক সাইট) তাই একটি ওইআর উপাদানের বৈশিষ্ট্যগুলি তার বাল্ক কাঠামো দ্বারা পূর্বাভাস দেওয়া কঠিন। ও. ই. আর-এর গতিবিদ্যা এবং তাপগতিবিদ্যার উপর পৃষ্ঠের প্রভাবগুলির একটি বড় প্রভাব রয়েছে। প্ল্যাটিনাম ওইআর-এর জন্য ব্যাপকভাবে অধ্যয়নরত উপাদান কারণ এটি এই প্রতিক্রিয়ার জন্য অনুঘটক হিসাবে সবচেয়ে সক্রিয় উপাদান। এটি 10−9 এ/সেমি2 ক্রমানুসারে বিনিময় বর্তমান ঘনত্বের মান প্রদর্শন করে। ওইআর-এর বেশিরভাগ যান্ত্রিক জ্ঞান প্ল্যাটিনাম এবং এর অক্সাইডের উপর গবেষণা থেকে সংগ্রহ করা হয়েছিল। দেখা গেছে যে, তড়িৎ বিশ্লেষণের সময় অক্সিজেনের বিবর্তনে একটি বিলম্ব ঘটেছিল। অতএব, ওইআর শুরু হওয়ার আগে পৃষ্ঠে একটি অক্সাইড ফিল্ম তৈরি করতে হবে। ট্যাফেল ঢাল, যা তড়িৎ-অনুঘটক বিক্রিয়ার গতিবিদ্যার সঙ্গে সম্পর্কিত, তা কম তড়িৎপ্রবাহের ঘনত্বে অক্সাইড স্তরের পুরুত্ব থেকে স্বাধীন বলে দেখানো হয়েছিল কিন্তু উচ্চ তড়িৎপ্রবাহের ঘনত্বে অক্সাইডের পুরুত্বের উপর নির্ভরশীল হয়ে পড়ে ইরিডিয়াম অক্সাইড ইরিডিয়াম অক্সাইড (আই. আর. ও. 2) হল শিল্পের আদর্শ ও. ই. আর অনুঘটক যা তার উচ্চ স্থিতিশীলতার কারণে পলিমার তড়িৎবিশ্লেষ্য ঝিল্লি তড়িৎবিশ্লেষণে ব্যবহৃত হয়। এটি 1970-এর দশকে একটি ওইআর অনুঘটক হিসাবে প্রথম প্রস্তাব করা হয়েছিল এবং তখন থেকে এটি ব্যাপকভাবে গবেষণা ও বাস্তবায়িত হয়েছে। রুথেনিয়াম অক্সাইড রুথেনিয়াম অক্সাইড (রুও2) অম্লীয় পরিবেশে ওইআর উপাদান হিসাবে কিছু সেরা কার্যকারিতা দেখায়। 1970-এর দশকের গোড়ার দিক থেকে এটি একটি জল জারণ অনুঘটক হিসাবে অধ্যয়ন করা হয়েছে যা সেই সময়ে ওইআর-এর জন্য সর্বনিম্ন রিপোর্ট করা অতিরিক্ত ক্ষমতা সহ। এর পর থেকে এটি রু (110) একক স্ফটিক অক্সাইড পৃষ্ঠতল, কম্প্যাক্ট ফিল্ম, টাইটানিয়াম সমর্থিত ফিল্মগুলিতে ওইআর-এর জন্য তদন্ত করা হয়েছে। নিষ্ক্রিয় স্তরের উপর রুথেনিয়াম ক্লোরাইডের তাপীয় পচন দ্বারা রুও2 ফিল্ম প্রস্তুত করা যেতে পারে। স্পিনেল উপাদান স্পিনেল যৌগগুলি বৈচিত্র্যময় জল জারণ অনুঘটকের নকশা তৈরিতে অত্যন্ত কার্যকর। সাধারণত এই স্পিনেলগুলি প্রায়শই কার্বন পদার্থের উপর প্রলেপ দেওয়া হয় এবং জলের জারণ ক্ষমতা বাড়ানোর জন্য তাদের জালিতে অক্সিজেন শূন্যস্থান তৈরি করতে আরও হ্রাস করা হয়। তথ্যসূত্র হাইড্রোজেন উৎপাদন রাসায়নিক বিক্রিয়া