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CeNS नैनोटेक्नोलॉजी: हरित हाइड्रोजन के लिए स्वदेशी उत्प्रेरक

स्रोत:द हिंदू ↗

क्यों मायने रखता है

स्वच्छ ऊर्जा अर्थव्यवस्था की ओर संक्रमण काफी हद तक स्केलेबल ग्रीन हाइड्रोजन और फ्यूल सेल्स पर निर्भर है। यह स्वदेशी सफलता आयातित, महंगी कीमती धातुओं पर निर्भरता को कम करती है, जिससे भारत के स्वच्छ ऊर्जा लक्ष्यों और उन्नत नैनोमटेरियल्स (advanced nanomaterials) में आत्मनिर्भरता को बल मिलता है।

सारांश

सेंटर फॉर नैनो एंड सॉफ्ट मैटर साइंसेज (CeNS), बेंगलुरु के शोधकर्ताओं ने ऑक्सीजन इलेक्ट्रोकैटलिसिस (oxygen electrocatalysis) के लिए एक किफायती और पर्यावरण की दृष्टि से संधारणीय (sustainable) उत्प्रेरक विकसित किया है। यह नवीन उत्प्रेरक मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (MOF) से प्राप्त 'आयरन-डोप्ड निकल सेलेनाइड' का उपयोग करता है, जो प्लेटिनम और रूथेनियम जैसी महंगी कीमती धातुओं का एक अत्यधिक कुशल विकल्प प्रदान करता है। ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन (OER) और ऑक्सीजन रिडक्शन रिएक्शन (ORR) की धीमी गति (sluggish kinetics) को तेज करके, नैनोटेक्नोलॉजी का यह नवाचार बड़े पैमाने पर और लागत प्रभावी ग्रीन हाइड्रोजन उत्पादन तथा फ्यूल सेल के व्यावसायीकरण का मार्ग प्रशस्त करता है।

मुख्य बिंदु

  • CeNS के शोधकर्ताओं ने टिकाऊ ऑक्सीजन इलेक्ट्रोकैटालिसिस (oxygen electrocatalysis) में सुधार के लिए एक कम लागत वाला और पर्यावरण के अनुकूल उत्प्रेरक (catalyst) विकसित किया है, जो स्वच्छ ऊर्जा प्रौद्योगिकियों के लिए एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है।
  • यह नवाचार रूथेनियम और प्लैटिनम जैसी महंगी कीमती धातुओं को पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में उपलब्ध निकल सेलेनाइड मैट्रिक्स (nickel selenide matrix) से प्रतिस्थापित करता है, जिसे आयरन (Fe) डोपिंग के माध्यम से उन्नत किया गया है।
  • उत्प्रेरक को आयरन के साथ मोड्युलेटेड मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (MOF) का उपयोग करके संश्लेषित किया जाता है और पायरोलिसिस के माध्यम से कार्बन-समृद्ध नैनो-मटेरियल में परिवर्तित किया जाता है।
  • यह ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन (OER) और ऑक्सीजन रिडक्शन रिएक्शन (ORR) दोनों को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ावा देता है, जिससे ग्रीन हाइड्रोजन उत्पादन और फ्यूल सेल अधिक कुशल और स्केलेबल बन जाते हैं।

महत्वपूर्ण शब्द

ग्रीन हाइड्रोजन

सौर या पवन जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों द्वारा संचालित जल इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से उत्पादित हाइड्रोजन। यह शून्य कार्बन उत्सर्जन करता है, जो वैश्विक डीकार्बोनाइजेशन के लिए एक महत्वपूर्ण स्तंभ के रूप में कार्य करता है।

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GS पेपर 3: ऊर्जा और पर्यावरण। संधारणीय ऊर्जा संक्रमण और 2070 तक नेट ज़ीरो की राह की समझ का परीक्षण करता है।

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राष्ट्रीय हरित हाइड्रोजन मिशन

भारत सरकार की एक प्रमुख पहल, जिसका लक्ष्य 125 GW की नवीकरणीय ऊर्जा क्षमता के सहयोग से 2030 तक सालाना 5 मिलियन मीट्रिक टन ग्रीन हाइड्रोजन का उत्पादन करना है।

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GS पेपर 3: अर्थव्यवस्था और पर्यावरण। औद्योगिक डिकार्बोनाइजेशन, ऊर्जा सुरक्षा और स्वदेशी विनिर्माण (SIGHT कार्यक्रम) से संबंधित प्रश्नों के लिए महत्वपूर्ण।

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मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (MOFs)

धातु आयनों और कार्बनिक लिंकर्स से बने अत्यधिक सरंध्रता वाले क्रिस्टलीय पदार्थ। इन्हें अक्सर 'आणविक स्पंज' कहा जाता है, इनका उपयोग गैस भंडारण, कार्बन कैप्चर और उच्च दक्षता वाले उत्प्रेरण के लिए किया जाता है।

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GS पेपर 3: विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी। 2025 के नोबेल पुरस्कार की मान्यता और स्वच्छ ऊर्जा में उनके परिवर्तनकारी अनुप्रयोगों के कारण अत्यधिक प्रासंगिक।

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ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन (OER)

वह विद्युत रासायनिक प्रक्रिया जिसमें ऑक्सीजन गैस मुक्त करने के लिए पानी का ऑक्सीकरण (oxidation) किया जाता है। यह वाटर स्प्लिटिंग (water splitting) के माध्यम से हाइड्रोजन उत्पादन में एक महत्वपूर्ण लेकिन 'सुस्त' (sluggish) बॉटलनेक चरण है।

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जीएस पेपर 3: विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी। वाटर इलेक्ट्रोलाइज़र और ग्रीन हाइड्रोजन उत्पादन की दक्षता को समझने के लिए एक आवश्यक तकनीकी अवधारणा।

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ऑक्सीजन रिडक्शन रिएक्शन (ORR)

वह रासायनिक अभिक्रिया जिसमें ऑक्सीजन का अपचयन (reduction) होता है, जो आमतौर पर फ्यूल सेल के कैथोड पर होती है। उच्च प्रदर्शन वाले शून्य-उत्सर्जन विद्युत उत्पादन के लिए इसकी गति में सुधार करना अत्यंत महत्वपूर्ण है।

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GS पेपर 3: विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी। सतत गतिशीलता के लिए फ्यूल सेल और मेटल-एयर बैटरी की कार्यप्रणाली को समझने के लिए महत्वपूर्ण।

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नैनो एवं मृदु पदार्थ विज्ञान केंद्र (CeNS)

बेंगलुरु स्थित भारत के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग (DST) के तहत एक स्वायत्त अनुसंधान संस्थान, जो नैनोटेक्नोलॉजी, सॉफ्ट मैटर और उन्नत ऊर्जा सामग्री (advanced energy materials) में विशेषज्ञता रखता है।

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GS पेपर 3: विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी। यह विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग के तहत भारतीय R&D के संस्थागत ढांचे का प्रतिनिधित्व करता है।

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ईंधन सेल

विद्युत-रासायनिक उपकरण जो हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उपयोग करके रासायनिक ऊर्जा को सीधे विद्युत में परिवर्तित करते हैं, जिनमें जल और ऊष्मा ही एकमात्र सह-उत्पाद होते हैं।

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GS पेपर 3: बुनियादी ढांचा और पर्यावरण। शून्य-उत्सर्जन परिवहन समाधान और ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकियों पर केंद्रित।

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प्रारंभिक ट्रैप

फ्यूल सेल ऑक्सीजन रिडक्शन रिएक्शन (Oxygen Reduction Reaction) का उपयोग करके जल के विभाजन द्वारा ग्रीन हाइड्रोजन उत्पन्न करते हैं।

फ्यूल सेल (Fuel cells) बिजली पैदा करने के लिए हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की खपत करते हैं (ORR)। इलेक्ट्रोलाइज़र (Electrolyzers) पानी को विभाजित करके हाइड्रोजन का उत्पादन करते हैं (OER)। अभ्यर्थी अक्सर इन विपरीत प्रक्रियाओं को लेकर भ्रमित हो जाते हैं।

संबंधित अवधारणाएँ

Science & Technology - Alternate Energy

फ्यूल सेल, वॉटर इलेक्ट्रोलाइज़र से किस प्रकार भिन्न हैं?

  • फ्यूल सेल (Fuel Cells): हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करना, जिसमें उत्सर्जन के रूप में केवल शुद्ध जल निकलता है।
  • इलेक्ट्रोलाइजर्स: विद्युत ऊर्जा का उपयोग पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करने के लिए किया जाता है, जो ग्रीन हाइड्रोजन (Green Hydrogen) के उत्पादन के लिए मुख्य तकनीक के रूप में कार्य करती है।
  • उत्प्रेरक की भूमिका: दोनों प्रणालियों को सुस्त विद्युत-रासायनिक अभिक्रियाओं (electrochemical reactions) को दूर करने के लिए उत्प्रेरकों (catalysts) की आवश्यकता होती है: फ्यूल सेल में ORR और इलेक्ट्रोलाइज़र में OER।
Science & Technology - Nanotechnology

मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (MOFs) क्या हैं और उनके अनुप्रयोग क्या हैं?

  • संरचना: अत्यधिक छिद्रयुक्त, क्रिस्टलीय नैनोमटेरियल्स जो धातु आयनों या समूहों (clusters) को कार्बनिक अणुओं के साथ जोड़कर बनाए जाते हैं और 'आणविक स्पंज' (molecular sponges) की तरह कार्य करते हैं।
  • मुख्य विशेषताएँ: इनमें अत्यधिक उच्च सतह क्षेत्र (ultra-high surface areas), समायोज्य छिद्र आकार (tunable pore sizes) और असाधारण रासायनिक बहुमुखी प्रतिभा होती है।
  • अनुप्रयोग: गैस भंडारण (कार्बन कैप्चर, हाइड्रोजन), जल शोधन, ड्रग डिलीवरी और उन्नत इलेक्ट्रोकैटालिस्ट (electrocatalysts) के प्रिकर्सर (precursors) के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

अंतर-विषय पैटर्न

  • ग्रीन H2 स्केलिंग बनाम PGM निर्भरता

    भारत के National Green Hydrogen Mission के लक्ष्य इलेक्ट्रोलाइजर्स के लिए आयातित बहुमूल्य समूह धातुओं (Pt, Ru) पर निर्भरता के कारण सीमित हैं, जिससे ऊर्जा सुरक्षा के लिए स्वदेशी और पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में उपलब्ध उत्प्रेरक (catalysts) अत्यंत महत्वपूर्ण हो जाते हैं।

  • जलवायु शमन को गति देती नैनोटेक्नोलॉजी

    MOFs और ट्रांजिशन मेटल सेलेनाइड्स जैसे नैनोमटेरियल्स S&T और पर्यावरण के बीच सेतु का कार्य करते हैं, जो भारी उद्योगों के डीकार्बोनाइजेशन और स्वच्छ गतिशीलता (Fuel Cell Electric Vehicles) के लिए स्केलेबल समाधान पेश करते हैं।

2026 की प्रारंभिक परीक्षा (prelims) में फ्यूल सेल (Fuel Cells - ORR) और इलेक्ट्रोलाइज़र (Electrolyzers - OER) के बीच अंतर स्पष्ट करने वाले एक प्रश्न की अपेक्षा करें, जो MOFs और कीमती धातु उत्प्रेरकों (precious metal catalysts) की भूमिका का परीक्षण करता हो।

संबद्ध PYQ · 3

संबद्ध PYQ · 3

  • 2023PrelimsGS1

    With reference to green hydrogen, consider the following statements: 1. It can be used directly as a fuel for internal combustion. 2. It can be blended with natural gas and used as fuel for heat or power generation. 3. It can be used in the hydrogen fuel cell to run vehicles. How many of the above statements are correct?

  • 2024PrelimsGS1

    Which one of the following is the exhaust pipe emission from Fuel Cell Electric Vehicles, powered by hydrogen ?

  • 2023PrelimsGS1

    Consider the following heavy industries: 1. Fertilizer plants 2. Oil refineries 3. Steel plants Green hydrogen is expected to play a significant role in decarbonizing how many of the above industries?