छायाचित्र सौजन्य : Pixabay वरून andreas160578
इंधन म्हणून हायड्रोजन वायू पर्यावरणपूरक असतो, कारण हायड्रोजनचे ऑक्सिजनच्या उपस्थितीत ज्वलन झाले की प्रदूषण करणारा कुठलाही पदार्थ तयार न होता, पाणी तयार होते. शिवाय समान वजनाच्या पेट्रोलच्या तुलनेत हायड्रोजन तिप्पट प्रमाणात ऊर्जा निर्माण करतो. परंतु पृथ्वीच्या वातावरणातून थेट मिळणारा हायड्रोजन अत्यल्प असतो. त्यामानाने हायड्रोजनचे संयुग असलेले पाणी मुबलक प्रमाणात उपलब्ध असते. पाण्यापासून हायड्रोजन निर्माण करता येणे शक्य आहे, मात्र ते करण्याच्या रासायनिक अभिक्रियेसाठी बाह्य ऊर्जा स्रोताची आवश्यकता असते. त्यामुळे, हायड्रोजनचा जर पर्यायी इंधन म्हणून विचार करायचा असेल तर कमीत कमी बाह्य ऊर्जा वापरून, हायड्रोजनच्या ज्वलनातून जास्तीत जास्त ऊर्जा निर्माण करता आली पाहिजे.
अलिकडील एका अभ्यासात, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील संशोधकांनी पाण्यापासून हायड्रोजन तयार करण्यासाठी एका नवीन उत्प्रेरकाचा उपयोग केला. त्यांनी निवडलेल्या उत्प्रेरकामुळे, आधीच्या अभ्यासांच्या तुलनेत, हायड्रोजन निर्माण होण्याचा वेग वाढला आणि पुरवावी लागणारी बाह्य ऊर्जा देखील कमी झाली. विज्ञान व अभियांत्रिकी संशोधन मंडळ, विज्ञान व तंत्रज्ञान विभाग, भारत सरकार; विज्ञान व औद्योगिक संशोधन परिषद, भारत सरकार; आणि औद्योगिक संशोधन आणि सल्लागारी केंद्र, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई यांनी या अभ्यासाला सहाय्य दिले. हे कार्य एसीएस सस्टेनेबल केमिस्ट्री अँड इंजिनियरींग (ACS Sustainable Chemistry & Engineering) या नियतकालिकात प्रसिद्ध झाले.
पाण्यापासून हायड्रोजन तयार करण्याकरिता संशोधकांनी पाण्यात दोन इलेक्ट्रोड ठेवले आणि त्यातून विद्युत प्रवाह सोडला. पाण्यापासून हायड्रोजन वेगळा करण्याच्या या प्रक्रियेला विद्युत अपघटन (इलेक्ट्रॉलिसिस) म्हणतात. यापूर्वी केल्या गेलेल्या अभ्यासांतून असे दिसले आहे की विद्युत अपघटन प्रक्रियेचा वेग वाढविण्याचे काम प्लॅटिनम, ऱ्होडिअम व इरिडियम हे धातू करू शकतात. “हे धातू उत्तम प्रकारे वेग वाढविण्याचे काम करत असले तरी ते खूप महाग असल्याने औद्योगिक प्रणालींमध्ये त्यांना फारशी पसंती नाही.” असे सदर अभ्यासाचे संशोधक, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबईचे प्रा.चंद्रमौळी सुब्रमण्यम सांगतात. त्यांच्या अभ्यासात कोबाल्ट व ऑक्सिजनचे एक संयुग वापरून तुलनेने कमी खर्चात विद्युत अपघटनाचा वेग ते वाढवू शकले आहेत. पूर्वीच्या काही संशोधकांचा नवीन उत्प्रेरक विकसित करण्याकडे कल होता, परंतु सदर अभ्यासात प्रा. सुब्रमण्यम व त्यांच्या गटाने पर्यायी पद्धत वापरण्याचा प्रयत्न केला आहे.
ऊर्जेचा प्रभावी वापर होण्यासाठी संशोधकांनी संक्रमण धातु (ट्रांझिशन मेटल्स) म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या आणि तुलनेत स्वस्त असलेल्या धातूंचा वापर केला. संक्रमण धातूंची संयुजा, म्हणजेच त्यांची इतर संयुगांबरोबर इलेक्ट्रॉनची देवाण-घेवाण करण्याची क्षमता, जास्त असते. तांबे, लोह, निकेल हे पर्याय सुद्धा उपलब्ध होते पण पूर्वीच्या अभ्यासांत विद्युत अपघटन प्रक्रियेला वेग देऊ शकण्याची कोबाल्टची क्षमता उत्तम असल्याचे निदर्शनास आल्यामुळे संशोधकांनी कोबाल्टची निवड केली. त्यांनी कार्बनच्या नॅनो फ्लोरेटवर (झेंडूच्या फुला प्रमाणे असलेली नॅनो कार्बनची रचना) कोबाल्ट ऑक्साइडचे कण बसवले आणि असे नॅनो फ्लोरेट पाण्यात सोडले. कोबाल्ट ऑक्साइडच्या माध्यमातून पाण्याच्या रेणुंना विद्युत क्षेत्र पुरवले असता, पाण्याचे अपघटन घडून येते. परंतु कोबाल्ट ऑक्साइड विद्युतरासायनिक उत्प्रेरक म्हणून ओळखले जात असले तरी देखील ते वापरून हायड्रोजन निर्माण करायला जास्त प्रमाणात ऊर्जा पुरवावी लागते आणि तरी हायड्रोजन निर्माण होण्याचा वेग कमी असतो.
विद्युत अपघटनाचा वेग अजून वाढवण्यासाठी संशोधक केवळ विद्युत क्षेत्रावर विसंबले नाहीत. चुंबकीय क्षेत्रं, जी विद्युत क्षेत्रांशी संबंधित असतात, ती ह्या प्रक्रियेमध्ये महत्वाची भूमिका बजावू शकतात. आपण फ्रिजवर लावतो तेवढे, एखादे लहानसे चुंबक अपघटनाच्या संचाजवळ ठेवले तरी अभिक्रियेचा वेग तिप्पट झालेला संशोधकांना दिसला. विद्युत क्षेत्र आणि चुंबकीय क्षेत्र एकत्रित वापरताना बाहेरून पुरवावी लागणारी ऊर्जा संशोधकांनी मोजली आणि अपघटनाच्या संचाजवळ चुंबक नसताना लागणाऱ्या ऊर्जेशी तिची तुलना केली. त्यांना असे आढळले की चुंबकीय क्षेत्राचा वापर केल्यास विद्युत अपघटन प्रक्रियेसाठी तेवढ्याच वेळात १९% कमी ऊर्जा वापरली गेली होती.
ह्या अभ्यासात संशोधकांनी दाखवले की कोबाल्ट ऑक्साइड वर चुंबकीय क्षेत्राचा परिणाम होतो. नंतर अभिक्रियेजवळील चुंबक हटवले तरी ही अभिक्रिया, विना चुंबक घडणाऱ्या वित्युत अपघटनापेक्षा साधारण तिप्पट वेगाने घडली. ”आम्ही विकसित केलेला उत्प्रेरक चुंबकाचा परिणाम जास्त काळ धरून ठेवू शकतो, म्हणून विद्युत अपघटनाचा वेग वाढतो. उत्तम सहयोगिता राखू शकणारी कार्बन व धातूच्या ऑक्साइडची जोडी विकसित करणे हे सर्वात महत्वाचे आहे,” असे या संशोधनाच्या सहअभ्यासक जयीता साहा सांगतात. “चुंबकीय क्षेत्राचा प्रभाव (अभिक्रिया संचावर) एकदा पडला तरी त्या आधारे पुढील ४५ मिनिटे, चुंबकीय क्षेत्राचा प्रभाव काढून घेतला तरी, हायड्रोजन निर्मितीचा वेग वाढलेला असतो,” असे त्या पुढे म्हणाल्या.
ह्या निरीक्षणातून एक फायदा निश्चितच दिसून आला आहे- बाह्य चुंबकाचा वापर करण्यासाठी विद्युत अपघटनाच्या संचाच्या रचनेत कोणताही बदल करण्याची गरज नाही. सहज उपलब्ध असलेली घरगुती किंवा शोभेची चुंबके सहजगत्या चालू रचनेत वापरता येऊ शकतात. “आपण सध्याच्या विद्युत अपघटन करणाऱ्या उपकरणीच्या रचनेमध्ये किंवा कार्यपद्धती मध्ये कोणताही फेरफार न करता सुधारित व्यवस्था सहज बसवू शकतो,” असे ह्या संशोधनाचे आणखी एक अभ्यासक राणादेब बाल म्हणतात. प्रा.सुब्रमण्यम पुढे सांगतात “बाह्य चुंबकाचा अधूनमधून उपयोग करणे ऊर्जा-कार्यक्षम हायड्रोजन निर्मिती साध्य करण्यासाठी नवी दिशा दाखवू शकते. ह्या परिणामाचा उपयोग करून घेऊ शकणाऱ्या काही इतर उत्प्रेरकांचा सुद्धा शोध घेता येईल.”
संशोधकांच्या गटाने आधीच्या प्रयोगांच्या तुलनेत कमी वेळ आणि ऊर्जा खर्चून प्रयोगशाळेत हायड्रोजन तयार करून दाखवला आहे. ही पद्धत फार किचकटही नाही. ही पद्धत वापरून हायड्रोजन निर्माण करण्यासाठी औद्योगिक क्षेत्रातील भागीदारांबरोबर काम करण्यास आता संशोधक उत्सुक आहेत. हायड्रोजनची मोठ्या प्रमाणात निर्मिती केल्यावर तो सिलिंडर मधे भरून इंधन म्हणून वापरता येईल. त्यांच्या प्रयत्नांना यश आले तर पर्यावरणपूरक असणारे हायड्रोजन इंधन, पेट्रोल, डिझेल आणि सीएनजीला पर्याय म्हणून भविष्यात उपलब्ध होईल अशी आशा आपण करू शकतो.