बेंगलुरु स्थित सेंटर फॉर नैनो एंड सॉफ्ट मैटर साइंसेज (सीईएनएस) के वैज्ञानिकों ने एक धातु-रहित कार्बनिक पदार्थ विकसित किया है जो प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले अणुओं के स्व-संयोजन का उपयोग करके सौर ऊर्जा से चलने वाले हाइड्रोजन उत्पादन में सुधार कर सकता है।

इस शोध में एमिनो एसिड एस्पार्टिक एसिड को पेरीलीन डाइमाइड (पीडीआई) नामक प्रकाश-अवशोषित कार्बनिक अणु के साथ मिलाया गया है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब इन दोनों घटकों को एकीकृत किया जाता है, तो वे पानी में स्वतः ही अत्यधिक व्यवस्थित द्वि-आयामी नैनोशीट में परिवर्तित हो जाते हैं, जिससे सूर्य के प्रकाश को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करने की पदार्थ की क्षमता में सुधार होता है।

सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके जल को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करके हरित हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है। हालांकि, कई मौजूदा फोटोकैटलिस्ट अकार्बनिक अर्धचालकों या बहुमूल्य धातुओं पर निर्भर करते हैं, जो महंगे, निर्माण में कठिन और दीर्घकालिक स्थिरता के बारे में चिंता का विषय हो सकते हैं। इसलिए, कुशल धातु-रहित कार्बनिक फोटोकैटलिस्ट विकसित करना एक महत्वपूर्ण अनुसंधान चुनौती के रूप में उभरा है।

विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग (डीएसटी) के अधीन एक स्वायत्त संस्थान, सीईएनएस टीम ने एस्पार्टिक एसिड-कार्यात्मक पीडीआई अणु का संश्लेषण किया, जो पानी में अतिआणविक स्व-संयोजन से गुजरा।

शोधकर्ताओं के अनुसार, बेहतर प्रदर्शन अणुओं की संरचना के कारण होता है। एस्पार्टिक एसिड घटक मजबूत और विस्तारित हाइड्रोजन बॉन्डिंग को बढ़ावा देता है, जबकि पीडीआई घटक π–π स्टैकिंग और प्रकाश के कुशल अवशोषण को सुगम बनाता है। इन दोनों के बीच की परस्पर क्रिया आणविक संरचना और परिणामस्वरूप, पदार्थ के फोटोकैटलिटिक गुणों को निर्धारित करती है।

आणविक पुनर्गठन ने प्रकाश अवशोषण को काफी हद तक बढ़ाया, आवेश पृथक्करण में सुधार किया, ऊर्जा हानि को कम किया और उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र को बढ़ाया। परिणामस्वरूप, सौर ऊर्जा से संचालित जल विभाजन के दौरान स्व-संयोजित पदार्थ ने अपने थोक समकक्ष की तुलना में लगभग 18 प्रतिशत अधिक फोटोकरंट उत्पन्न किया।

उन्नत विद्युतरासायनिक मापन और घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) गणनाओं से संकेत मिलता है कि स्व-संयोजन प्रक्रिया अधिक कुशल आवेश परिवहन को सक्षम बनाती है। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि अमीनो अम्ल आणविक द्विध्रुव आघूर्ण को बढ़ाता है, जिससे प्रकाश-जनित आवेशों को अधिक प्रभावी ढंग से अलग करने और हाइड्रोजन उत्पादन में सहायता मिलती है।

इस अध्ययन से पता चलता है कि प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले अमीनो अम्ल न केवल आणविक निर्माण खंडों के रूप में कार्य कर सकते हैं, बल्कि अतिआणविक संगठन और फोटोकैटलिटिक प्रदर्शन के नियामकों के रूप में भी कार्य कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने कहा कि आणविक डिजाइन दृष्टिकोण सौर ऊर्जा रूपांतरण के लिए कुशल, पर्यावरण के अनुकूल और धातु-मुक्त फोटोकैटलिस्ट विकसित करने के लिए एक अधिक टिकाऊ मार्ग प्रदान कर सकता है।

इस अध्ययन का नेतृत्व बेंगलुरु स्थित सीईएनएस के डॉ. गौतम घोष और डॉ. आशुतोष के. सिंह ने सौरव मोयरा, कुमार शुभम और अथिरा चंद्रन एम. के साथ मिलकर किया। इसके निष्कर्ष रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री की एक प्रमुख पत्रिका, जर्नल ऑफ मैटेरियल्स केमिस्ट्री ए में प्रकाशित हुए हैं।

शोधकर्ताओं ने कहा कि इस दृष्टिकोण पर आधारित सामग्रियों का भविष्य में हरित हाइड्रोजन उत्पादन, कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण, सौर ईंधन उत्पादन और अगली पीढ़ी के नवीकरणीय ऊर्जा उपकरणों में संभावित अनुप्रयोग हो सकते हैं, जिससे संभावित रूप से महंगी और दुर्लभ धातुओं पर निर्भरता कम हो सकती है।