सूर्य के प्रकाश से ईंधन तक: प्रो. ओंग वी जुन ने मलेशिया में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण अभियान का नेतृत्व किया

बचपन का एक सवाल बना राष्ट्रीय ऊर्जा मिशन

कक्षा 4 में प्रकाश संश्लेषण के बारे में पढ़ते समय, ओंग वी जुन ने एक सरल सवाल पूछा: क्या आधुनिक जीवन को ऊर्जा देने के लिए पौधों की तरह सूर्य के प्रकाश का इस्तेमाल किया जा सकता है? यही जिज्ञासा उनके जीवन का काम बन गई। अब मलेशियाई वैज्ञानिक नैनोविज्ञान और उत्प्रेरण के औजारों से इसी सिद्धांत पर काम कर रहे हैं और स्वच्छ ईंधनों के रासायनिक बंधों में सूर्य की ऊर्जा संचित कर रहे हैं।

प्रो. डॉ. ओंग ज़ियामेन यूनिवर्सिटी मलेशिया में सहायक डीन और सेंटर ऑफ एक्सीलेंस फॉर नैनो एनर्जी एंड कैटेलिसिस टेक्नोलॉजी के संस्थापक निदेशक हैं। यह केंद्र CONNECT के नाम से जाना जाता है। वह और उनकी टीम कृत्रिम पत्तियां बनाते हैं, जो प्रकाश संश्लेषण के मूल चरणों की नकल करती हैं। इन उपकरणों में ऊर्जा-समृद्ध अणु बनाने के लिए क्लोरोफिल की जगह अभियांत्रिकीकृत नैनो-सामग्रियों का इस्तेमाल होता है।

CONNECT पानी से हाइड्रोजन, CO2 से मेथनॉल और अन्य रसायन, तथा प्लास्टिक कचरे से ईंधन बनाने की संभावनाओं पर काम करता है। दीर्घकालीन दृष्टि में सौर ऊर्जा से चलने वाले मॉड्यूलर हाइड्रोजन फार्म शामिल हैं, जो ग्रामीण समुदायों को बिजली दे सकते हैं और अत्याधुनिक विज्ञान को रोजमर्रा की जरूरतों से जोड़ सकते हैं।

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण वास्तव में क्या करता है

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण में प्रकाश सोखने वाली सामग्रियों और उत्प्रेरकों का इस्तेमाल करके सूर्य के प्रकाश को रासायनिक ऊर्जा में बदला जाता है। उपकरण फोटॉन सोखता है, गतिशील आवेश पैदा करता है और उन आवेशों से पानी को विभाजित या कार्बन डाइऑक्साइड का अपचयन करता है। इससे ऐसा ईंधन बनता है जिसे संचित और परिवहित किया जा सकता है और सूरज न चमकने पर भी इस्तेमाल किया जा सकता है।

पानी के विभाजन की प्रक्रिया में एक अभिक्रिया से ऑक्सीजन निकलती है और दूसरी से हाइड्रोजन बनती है। अर्धचालक ऊर्जा देते हैं, जबकि उत्प्रेरक प्रत्येक अभिक्रिया की बाधा कम करते हैं। हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं के लिए ऊर्जा वाहक बनती है और अमोनिया निर्माण, इस्पात उत्पादन तथा तेल शोधन के लिए स्वच्छ कच्चा पदार्थ है।

CO2 को ईंधन में बदलने की प्रक्रिया भी इसी सिद्धांत पर काम करती है। विशेष रूप से तैयार उत्प्रेरक इलेक्ट्रॉनों को दिशा देते हैं, जिससे CO2 कार्बन मोनोऑक्साइड, फॉर्मिक एसिड या मेथनॉल में बदलती है। उपकरणों में पाउडर रूप के फोटोकैटेलिस्ट, प्रकाश सोखने वाले इलेक्ट्रोड वाली फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल या नवीकरणीय बिजली से चलने वाली इलेक्ट्रोकैटेलिटिक प्रणालियां शामिल हो सकती हैं। लक्ष्य एक ही है: उच्च दक्षता और उचित लागत के साथ स्थिर संचालन।

प्रयोगशाला की सफलताओं से मलेशिया की वास्तविक परियोजनाओं तक

CONNECT उद्योग और सरकार के साथ सहयोग के जरिए खोज को व्यवहार में लाता है। अगस्त 2024 में, ज़ियामेन यूनिवर्सिटी मलेशिया ने घोषणा की कि प्रो. ओंग को 1 मिलियन RM से अधिक मूल्य का PETRONAS अकादमिक सहयोग संवाद अनुदान मिला है। इस परियोजना का लक्ष्य सौर ऊर्जा से चलने वाले कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के जरिए तटवर्ती गैस टर्मिनलों पर गैस जलाने से निकलने वाली CO2 को मूल्यवान रसायनों में बदलना है। इससे औद्योगिक उत्सर्जन के एक स्रोत पर सीधे काम होगा।

PETRONAS कार्यक्रम ने 25 विश्वविद्यालयों से आए 588 आवेदनों में से 61 परियोजनाओं का चयन किया। CONNECT के लिए यह अनुदान ऐसे शोध पोर्टफोलियो को मजबूत करता है, जिसमें 2026 के मध्य तक पूरा किए जाने वाले प्रोटोटाइप सूर्य-से-हाइड्रोजन सिस्टम, ग्रीनहाउस गैसों को घटाने के लिए तैयार उत्प्रेरक और पाम तेल के कचरे को ग्राफीन तथा हरित हाइड्रोजन में बदलने की प्रक्रियाएं शामिल हैं। इन प्रयासों को जोड़ने वाला सूत्र सीधा है: संभावनाशील नैनो-उत्प्रेरकों को नियंत्रित प्रयोगशाला परीक्षणों से निकालकर ऐसे मजबूत उपकरणों में बदलना, जो खुले आसमान के नीचे काम कर सकें।

इन उत्प्रेरकों में विज्ञान कैसे काम करता है

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण तीन आधारों पर टिका है: प्रकाश सोखने वाली सामग्रियां, आवेशों को अलग रखने वाली संरचनाएं और अभिक्रियाओं को तेज तथा चयनात्मक बनाने वाले उत्प्रेरक स्थल। CONNECT का शोध द्विविमीय सामग्रियों, विशेष जंक्शनों और पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में मिलने वाले सतही स्थलों के मेल से इन आधारों को विकसित करता है।

द्विविमीय सामग्रियां और हेटरोस्ट्रक्चर

ग्राफीन जैसी कार्बन शीट से लेकर संक्रमण धातु डाइकल्कोजेनाइड तक, द्विविमीय सामग्रियां आवेशों के लिए बेहद पतले मार्ग उपलब्ध कराती हैं। एक 2D शीट को दूसरी के ऊपर रखने से बड़ा इंटरफेस बनता है, जहां इलेक्ट्रॉन और होल प्रभावी ढंग से अलग होते हैं। पानी के विभाजन या CO2 के अपचयन के लिए अनुकूल बैंड ऊर्जा वाली जोड़ियां चुनकर, ये 2D-ऑन-2D हेटरोस्ट्रक्चर दुर्लभ तत्वों पर निर्भर हुए बिना दक्षता बढ़ाते हैं।

Z-स्कीम और S-स्कीम में आवेश प्रवाह

प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण में उच्च-ऊर्जा आवेश पैदा करने के लिए प्रकाश के दो चरण होते हैं, जिन्हें अक्सर Z के आकार में दिखाया जाता है। कृत्रिम उपकरण Z-स्कीम और S-स्कीम डिजाइनों से इसी तर्क की नकल करते हैं। दो प्रकाश-अवशोषकों को इस तरह जोड़ा जाता है कि केवल सबसे प्रबल अपचायक इलेक्ट्रॉन और सबसे प्रबल ऑक्सीकारक होल बचें, जबकि कमजोर वाहक एक-दूसरे को निष्क्रिय कर दें। सबसे सक्रिय आवेशों को बनाए रखने से कठिन अभिक्रियाएं बेहतर होती हैं और अनचाही सहायक प्रक्रियाएं कम होती हैं।

धातु कार्बाइड और MXene सामग्रियां

MXene सहित संक्रमण धातु कार्बाइड में उच्च विद्युत चालकता और समायोज्य सतहों का मेल होता है। वे प्रकाश-अवशोषक या सह-उत्प्रेरक के रूप में काम कर सकते हैं। सह-उत्प्रेरक सतह पर मौजूद ऐसे सहायक पदार्थ होते हैं, जो महत्वपूर्ण चरणों को तेज करते हैं और चयनात्मकता को दिशा देते हैं। प्रवाहकीय शीट बनाने के लिए परतदार अग्रद्रव्यों को एचिंग करके MXene तैयार किए जाते हैं। संश्लेषण की विधि से तय होने वाले इनके सतही समूह इस बात को प्रभावित करते हैं कि वे अणुओं को कितनी अच्छी तरह सोखते हैं और आवेशों का कितना प्रभावी परिवहन करते हैं। स्थिर और कुशल सौर ईंधन उत्पादन के लिए यह अहम है।

प्रकाश और उन्नत रसायन से कचरे को संपदा में बदलना

प्लास्टिक सुविधा तो देता है, लेकिन कचरे की समस्या भी पैदा करता है। फोटो- और इलेक्ट्रोकैटेलिटिक अपसाइक्लिंग लक्षित रसायन प्रक्रियाओं के जरिए इस समस्या का समाधान खोजती है। प्रकाश या नवीकरणीय ऊर्जा के तहत उत्प्रेरक लंबी पॉलीमर शृंखलाओं को तोड़कर उन्हें फॉर्मेट, एसीटेट, अल्कोहल या हाइड्रोजन जैसे उपयोगी अणुओं में बदल सकते हैं। CONNECT इस तरीके को कृषि अवशेषों पर भी लागू करता है। मलेशिया के पाम क्षेत्र से कार्बन-समृद्ध कचरा निकलता है, जिसे बेहतर बनाकर ग्राफीन और हरित हाइड्रोजन तैयार की जा सकती है। समूह ने बायोमीथेन से ग्राफीन और हाइड्रोजन बनाने से संबंधित पेटेंट की जानकारी दी है। यह दिखाता है कि कचरे की धाराओं को सामग्री और ऊर्जा के कच्चे स्रोत में बदला जा सकता है।

पानी से हाइड्रोजन: प्रयोगशाला से मैदान तक

सूर्य के प्रकाश से हाइड्रोजन बनाना सुनने में सरल लगता है, लेकिन इसे खुले वातावरण में एकीकृत करना कठिन है। किसी उपकरण को प्रभावी ढंग से प्रकाश सोखना, पानी का विभाजन करना, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को अलग रखना और महीनों तक गर्मी, बारिश तथा धूल झेलना होगा। CONNECT बाहरी परिस्थितियों में परीक्षण के लिए बड़ा प्रोटोटाइप बना रहा है। लक्ष्य 2026 के मध्य तक ऐसा कामकाजी सूर्य-से-हाइड्रोजन उपकरण तैयार करना है, जिसमें फोटोकैटेलिसिस और फोटोइलेक्ट्रोकेमिस्ट्री का मेल हो।

बड़े पैमाने पर इस्तेमाल की तैयारी में दो मुद्दे आम तौर पर सबसे अहम होते हैं। पहला है दक्षता: सौर-से-हाइड्रोजन दक्षता बढ़नी चाहिए, जबकि सामग्री की कीमत किफायती बनी रहे। कई विशेषज्ञ 10 प्रतिशत को व्यावहारिक सीमा मानते हैं, हालांकि लागत स्थान के अनुसार बदलती है। दूसरी कसौटी टिकाऊपन है। ऑक्सीजन और तीव्र प्रकाश में उत्प्रेरक खराब हो सकते हैं। समुद्री पानी में क्लोराइड होता है, जो जंग और क्लोरीन बनने की प्रक्रिया शुरू कर सकता है। टीमें सुरक्षात्मक परतों, चयनात्मक झिल्लियों और ऐसी अभिक्रिया स्थितियों के जरिए इससे निपटती हैं, जो केवल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन बनने को बढ़ावा देती हैं।

यह मलेशिया और क्षेत्र के लिए क्यों अहम है

मलेशिया का लक्ष्य 2050 तक शुद्ध-शून्य उत्सर्जन हासिल करना है, जिसके लिए नए स्वच्छ ईंधनों और कार्बन के अधिक समझदारी से इस्तेमाल की जरूरत होगी। कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण कई राष्ट्रीय प्राथमिकताओं से जुड़ा है। हाइड्रोजन नवीकरणीय ऊर्जा को सहारा दे सकती है और उद्योगों के उत्सर्जन घटा सकती है। गैस जलाने या औद्योगिक प्रक्रियाओं से निकलने वाली CO2 को कच्चे पदार्थों में बदलने से कचरे का मूल्य पैदा होता है। प्लास्टिक और जैविक कचरे का उन्नयन लैंडफिल पर दबाव और आयातित जीवाश्म संसाधनों पर निर्भरता घटाता है। सौर ऊर्जा से चलने वाली मॉड्यूलर ईंधन इकाइयां दूरदराज के इलाकों में स्कूलों, क्लीनिकों और छोटे कारोबारों को सहारा दे सकती हैं, जहां बिजली ग्रिड का विस्तार धीमा है।

सहयोग, प्रतिभा और डिजिटल औजार प्रगति को गति देते हैं

CONNECT, PETRONAS रिसर्च और राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी कार्यक्रमों के साथ साझेदारी तथा रसायन विज्ञान, सामग्री विज्ञान, इंजीनियरिंग और डेटा विज्ञान की विशेषज्ञता को जोड़कर आगे बढ़ता है। डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी और मशीन लर्निंग प्रयोगशाला में कुछ उत्प्रेरक बनाने से पहले हजारों संभावित उत्प्रेरकों की जांच में मदद करते हैं, जिससे समय और लागत बचती है। प्रो. ओंग स्नातकोत्तर और पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ताओं के बढ़ते समूह का मार्गदर्शन करते हैं। अत्यधिक उद्धृत शोधकर्ता और विश्व के शीर्ष 2 प्रतिशत वैज्ञानिकों की सूची जैसे सम्मान उनके काम के प्रभाव को रेखांकित करते हैं। फिर भी लक्ष्य व्यावहारिक है: ऐसे उपकरण बनाना जो मलेशिया की परिस्थितियों में भरोसेमंद ढंग से स्वच्छ ईंधन तैयार करें।

अब भी बाकी चुनौतियां

संभावना है कि कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण इलेक्ट्रोलाइजर से बनने वाली बढ़ती हरित हाइड्रोजन का पूरक बनेगा, उसका विकल्प नहीं। बड़े पैमाने पर इस्तेमाल की राह में दक्षता बढ़ाना, टिकाऊपन सुधारना, संयंत्र के सहायक उपकरणों की लागत घटाना और गैसों को सुरक्षित ढंग से संभालने की व्यवस्था बनाना शामिल है। CO2 रूपांतरण से अक्सर उत्पादों का मिश्रण निकलता है, जिन्हें अलग करना पड़ता है। प्लास्टिक अपसाइक्लिंग के लिए कच्चे माल की गुणवत्ता भरोसेमंद होनी चाहिए और उत्प्रेरक चयनात्मक होने चाहिए। 2026 का प्रोटोटाइप और PETRONAS परियोजना क्षेत्र से ऐसे आंकड़े उपलब्ध कराएंगे, जिनसे तय होगा कि देश के ऊर्जा संक्रमण में इस तकनीक की सबसे उपयुक्त भूमिका क्या हो सकती है।

मुख्य बातें

• प्रो. डॉ. ओंग वी जुन ज़ियामेन यूनिवर्सिटी मलेशिया में CONNECT का नेतृत्व करते हैं। उनका काम कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण और नैनो-उत्प्रेरण पर केंद्रित है।
• उनकी टीम पानी से हाइड्रोजन, CO2 से मेथनॉल और अन्य उत्पाद, तथा फोटो- या इलेक्ट्रोकैटेलिटिक तरीके से प्लास्टिक अपसाइक्लिंग पर काम करती है।
• 1 मिलियन RM से अधिक का PETRONAS अनुदान (अगस्त 2024) तटवर्ती गैस टर्मिनलों पर गैस जलाने से निकलने वाली CO2 को सौर ऊर्जा से बदलने के काम में सहयोग देता है।
• मलेशिया में बाहरी परिस्थितियों में प्रदर्शन जांचने के लिए सूर्य-से-हाइड्रोजन सिस्टम का प्रोटोटाइप 2026 के मध्य तक तैयार करने का लक्ष्य है।
• शोध में द्विविमीय हेटरोस्ट्रक्चर, Z-स्कीम आवेश प्रवाह और MXene जैसी धातु कार्बाइड सामग्रियां शामिल हैं।
• समुद्री पानी से हाइड्रोजन बनाने की परियोजनाएं क्लोराइड से होने वाली जंग और चयनात्मकता की समस्या से निपटती हैं, ताकि क्लोरीन न बने।
• उद्योग के साथ साझेदारी और डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी तथा मशीन लर्निंग का इस्तेमाल उत्प्रेरकों की खोज तेज करता है।
• यह काम मलेशिया के 2050 के शुद्ध-शून्य लक्ष्य के अनुरूप है और ग्रामीण क्षेत्रों में ऊर्जा पहुंच बढ़ाने में मदद कर सकता है।