Heterogeneous water oxidation
நீர் ஆக்சிஜனேற்றம் என்பது நீர் பிரிவின் அரை எதிர்வினைகளில் ஒன்றாகும்ஃ 2H2O → O2 + 4H + + 4e-ஆக்சிஜனேற்றம் (டையாக்சிஜனின் உருவாக்கம்) 4H + + 4e − → 2H2 குறைப்பு (டைஹைட்ரஜனின் உருவாக்கம்) 2H2O → 2H2 + O2 மொத்த எதிர்வினை இரண்டு அரை எதிர்வினைகளில், ஆக்சிஜனேற்ற படி மிகவும் கோருகிறது, ஏனெனில் இதற்கு 4 எலக்ட்ரான் மற்றும் புரோட்டான் பரிமாற்றங்கள் மற்றும் ஆக்ஸிஜன்-ஆக்ஸிஜன் பிணைப்பு உருவாக்கம் தேவைப்படுகிறது. ஒளிச்சேர்க்கை செயல்முறைக்கு புரோட்டான்கள் மற்றும் எலக்ட்ரான்களை வழங்குவதற்கும், வளிமண்டலத்திற்கு ஆக்ஸிஜனை வெளியிடுவதற்கும், சில மின்கடத்தல் செயல்முறைகளிலும் தாவர ஒளிச்சேர்க்கை அமைப்பு II இல் இந்த செயல்முறை இயற்கையாகவே நிகழ்கிறது. ஹைட்ரஜனை மாற்று சுத்தமான எரிபொருளாகப் பயன்படுத்த முடியும் என்பதால், தண்ணீரை திறம்பட பிரிக்க வேண்டிய அவசியம் உள்ளது. இருப்பினும், குறைப்பு நடவடிக்கையை திறம்பட மத்தியஸ்தம் செய்யக்கூடிய அறியப்பட்ட பொருட்கள் உள்ளன, எனவே தற்போதைய ஆராய்ச்சியின் பெரும்பகுதி ஆக்ஸிஜன் பரிணாம எதிர்வினை (ஓஇஆர்) என்றும் அழைக்கப்படும் ஆக்சிஜனேற்ற அரை எதிர்வினையை நோக்கமாகக் கொண்டுள்ளது. தற்போதைய ஆராய்ச்சி OER இன் பொறிமுறையைப் புரிந்துகொள்வதிலும், செயல்முறையை ஊக்குவிக்கும் புதிய பொருட்களின் வளர்ச்சியிலும் கவனம் செலுத்துகிறது. வெப்ப இயக்கவியல் ஆக்சிஜனேற்றம் மற்றும் குறைப்பு படிகள் இரண்டும் pH ஐ சார்ந்துள்ளன. படம் 1 சாதாரண ஹைட்ரஜன் மின்முனையை (என். எச். இ) குறிப்பிடுவது போல் pH 0 (வலுவான அமிலத்தன்மை) இல் நிலையான ஆற்றலைக் காட்டுகிறது. 2 அரை எதிர்வினைகள் (pH = 0 இல்) ஆக்சிஜனேற்றம் 2H2O → 4H + + 4e − + O2E ° =-1.23 V எதிராக NHE குறைப்பு 4H + + 4e − → 2H2E ° = 0 V எதிராக NHE ஒட்டுமொத்தமாக 2H2O → 2H2 + O2E ° செல் =-1.23 V; ΔG = 475 kJ/mol நீர் பிரிப்பு அதிக pH மதிப்புகளிலும் செய்யப்படலாம், இருப்பினும் நிலையான ஆற்றல்கள் நெர்ன்ஸ்ட் சமன்பாட்டிற்கு ஏற்ப மாறுபடும், எனவே ஒவ்வொரு pH அலகு அதிகரிப்புக்கும்-59 mV ஆல் மாறும். இருப்பினும், மொத்த செல் ஆற்றல் (ஆக்சிஜனேற்றம் மற்றும் குறைப்பு அரை செல் ஆற்றல்களுக்கு இடையிலான வேறுபாடு) 1.23 வி ஆக இருக்கும். இந்த ஆற்றல் கிப்ஸ் இலவச ஆற்றலுடன் (αG) பின்வருமாறு தொடர்புடையதாக இருக்கலாம்ஃ αG ° செல் = −nFE ° செல் இங்கு n என்பது ஒரு மோலுக்கு எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை மற்றும் F என்பது ஃபாரடே மாறிலி. எனவே, வெப்ப இயக்கவியலால் கணக்கிடப்பட்டபடி O2 இன் ஒரு மோலை உருவாக்க 475 kJ ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது. இருப்பினும், உண்மையில் எந்த செயல்முறையும் இவ்வளவு திறமையானதாக இருக்க முடியாது. அமைப்புகள் எப்போதும் செயல்பாட்டு தடைகள், செறிவு விளைவுகள் மற்றும் எதிர்ப்பின் காரணமாக மின்னழுத்த வீழ்ச்சிகள் ஆகியவற்றால் எழும் அதிகப்படியான ஆற்றலால் பாதிக்கப்படுகின்றன. செயல்படுத்தும் தடைகள் அல்லது செயல்படுத்தும் ஆற்றல் OER இன் மின் வேதியியல் செயல்முறையின் போது அடையப்படும் உயர் ஆற்றல் மாற்றம் நிலைகளுடன் தொடர்புடையது. இந்த தடைகளை குறைப்பது OER குறைந்த அதிகப்படியான மற்றும் விரைவான விகிதங்களில் நிகழ அனுமதிக்கும். பொறிமுறை ஹெட்டோரோஜெனியஸ் ஓஇஆர் எதிர்வினை நடைபெறும் மேற்பரப்புக்கு உணர்திறன் கொண்டது மற்றும் கரைசலின் pH ஆல் பாதிக்கப்படுகிறது. அமில மற்றும் கார கரைசல்களுக்கான பொதுவான வழிமுறை கீழே காட்டப்பட்டுள்ளது. அமில நிலைமைகளின் கீழ் நீர் ஒரு எலக்ட்ரான் மற்றும் ஒரு புரோட்டனை மாற்ற முடியாத வகையில் அகற்றி பிளாட்டினம் ஹைட்ராக்சைடை உருவாக்குவதன் மூலம் மேற்பரப்பில் பிணைக்கிறது. ஒரு காரக் கரைசலில் ஒரு எலக்ட்ரான் ஆக்சிஜனேற்றத்துடன் இணைந்த ஹைட்ராக்சைடு அயனியின் தலைகீழ் பிணைப்பு ஒரு புரோட்டான் மற்றும் ஒரு எலக்ட்ரானை அகற்றி ஒரு மேற்பரப்பு ஆக்சைடு இனத்தை உருவாக்கும் ஒரு விற்றுமுதல்-கட்டுப்படுத்தும் மின் வேதியியல் படிநிலைக்கு முன்னதாக இருக்கும் என்று கருதப்படுகிறது. pH உச்சநிலைகளுக்கு இடையிலான பொறிமுறையின் மாற்றம் தண்ணீருடன் தொடர்புடைய ஹைட்ராக்சைடு அயனியை ஆக்சிஜனேற்றம் செய்வதற்கான இயக்க வசதிக்கு காரணமாகும். டாஃபெல் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தி, மாற்று மின்னோட்ட அடர்த்தி மற்றும் டாஃபெல் சாய்வு போன்ற மின்முனை பொருளின் இயக்கவியல் பற்றிய இயக்கவியல் தகவல்களைப் பெறலாம். OER பிளாட்டினம் போன்ற சுத்தமான உலோக மேற்பரப்புகளில் நடக்காது என்று கருதப்படுகிறது, ஆனால் அதற்கு பதிலாக ஆக்ஸிஜன் பரிணாமத்திற்கு முன்பு ஒரு ஆக்சைடு மேற்பரப்பு உருவாகிறது. வினையூக்கி பொருட்கள் OER பல்வேறு பொருட்களில் ஆய்வு செய்யப்பட்டுள்ளது, அவற்றுள் பின்வருவன அடங்கும்ஃ பிளாட்டினம் மேற்பரப்புகள் மாற்றம் உலோக ஆக்சைடுகள் முதல் வரிசை மாற்றம் உலோக சுழல்கள் மற்றும் பெரோவ்ஸ்கைட்டுகள். சமீபத்தில் உலோக-ஆர்கானிக் கட்டமைப்பை (எம்ஓஎஃப்) அடிப்படையாகக் கொண்ட பொருட்கள் முதல் வரிசை மாற்றம் உலோகங்களுடன் நீர் ஆக்சிஜனேற்றத்திற்கு மிகவும் நம்பிக்கைக்குரிய வேட்பாளராகக் காட்டப்பட்டுள்ளன. மேற்பரப்பு மற்றும் மின்னாற்பகுப்பு நிலைமைகளைத் தயாரிப்பது வினைத்திறனில் (குறைபாடுகள், படிகள், இணைப்புகள், குறைந்த ஒருங்கிணைப்பு தளங்கள்) பெரிய தாக்கத்தை ஏற்படுத்துகிறது, எனவே ஒரு ஓஇஆர் பொருளின் பண்புகளை அதன் மொத்த கட்டமைப்பால் கணிப்பது கடினம். OER இன் இயக்கவியல் மற்றும் வெப்ப இயக்கவியலில் மேற்பரப்பு விளைவுகள் பெரும் தாக்கத்தை ஏற்படுத்துகின்றன. பிளாட்டினம் பிளாட்டினம் OER க்கு பரவலாக ஆய்வு செய்யப்பட்ட பொருளாகும், ஏனெனில் இது இந்த எதிர்வினைக்கு வினையூக்கியாக மிகவும் சுறுசுறுப்பான உறுப்பு ஆகும். இது 10−9 A/cm2 வரிசையில் பரிமாற்ற மின்னோட்ட அடர்த்தி மதிப்புகளை வெளிப்படுத்துகிறது. OER பற்றிய இயந்திர அறிவில் பெரும்பாலானவை பிளாட்டினம் மற்றும் அதன் ஆக்சைடுகள் பற்றிய ஆய்வுகளிலிருந்து சேகரிக்கப்பட்டன. மின்னாற்பகுப்பின் போது ஆக்ஸிஜனின் பரிணாம வளர்ச்சியில் ஒரு பின்னடைவு இருந்தது கண்டறியப்பட்டது. எனவே, ஓஇஆர் தொடங்குவதற்கு முன்பு ஒரு ஆக்சைடு படலம் முதலில் மேற்பரப்பில் உருவாக வேண்டும். மின்சார வினையூக்கி எதிர்வினையின் இயக்கவியலுடன் தொடர்புடைய டாஃபெல் சாய்வு, குறைந்த மின்னோட்ட அடர்த்திகளில் ஆக்சைடு அடுக்கு தடிமனில் இருந்து சுயாதீனமாக இருப்பதாகக் காட்டப்பட்டது, ஆனால் அதிக மின்னோட்ட அடர்த்திகளில் ஆக்சைடு தடிமனைச் சார்ந்துள்ளது இரிடியம் ஆக்சைடு இரிடியம் ஆக்சைடு (ஐஆர்ஓ 2) அதன் அதிக நிலைத்தன்மை காரணமாக பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட் சவ்வு மின்னாற்பகுப்பில் பயன்படுத்தப்படும் தொழில்துறை தரமான ஓஇஆர் வினையூக்கி ஆகும். இது முதன்முதலில் 1970 களில் ஒரு ஓஇஆர் வினையூக்கியாக முன்மொழியப்பட்டது, அதன் பின்னர் பரவலாக ஆராய்ச்சி செய்யப்பட்டு செயல்படுத்தப்பட்டு வருகிறது. ரூத்தேனியம் ஆக்சைடு ரூத்தேனியம் ஆக்சைடு (ரூஓ2) அமிலச் சூழலில் ஒரு ஓஇஆர் பொருளாக சிறந்த செயல்திறனைக் காட்டுகிறது. இது 1970 களின் முற்பகுதியில் இருந்து நீர் ஆக்சிஜனேற்ற வினையூக்கியாக ஆய்வு செய்யப்பட்டு, அந்த நேரத்தில் OER க்கு மிகக் குறைந்த அறிக்கையிடப்பட்ட அதிகப்படியான திறன்களில் ஒன்றாகும். அதன்பிறகு, ஆர். யூ (110) ஒற்றை படிக ஆக்சைடு மேற்பரப்புகள், கச்சிதமான படலங்கள், டைட்டானியம் ஆதரவு படலங்கள் ஆகியவற்றில் ஓஇஆருக்காக இது ஆய்வு செய்யப்பட்டுள்ளது. மந்தமான அடி மூலக்கூறுகளில் ரூத்தேனியம் குளோரைடு வெப்பச் சிதைவடைவதன் மூலம் ரூஓ2 படலங்களைத் தயாரிக்கலாம். ஸ்பினல் பொருட்கள் ஸ்பினல் சேர்மங்கள் பன்முக நீர் ஆக்சிஜனேற்ற வினையூக்கிகளை வடிவமைப்பதில் மிகவும் பயனுள்ளதாக இருக்கும். பொதுவாக இந்த ஸ்பைனல்கள் பெரும்பாலும் கார்பன் பொருட்களின் மீது பூசப்பட்டு, நீர் ஆக்சிஜனேற்ற திறன்களை மேம்படுத்துவதற்காக அவற்றின் லட்டிஸில் ஆக்ஸிஜன் காலியிடத்தை உருவாக்க மேலும் குறைக்கப்படுகிறது. குறிப்புகள் ஹைட்ரஜன் உற்பத்தி வேதியியல் எதிர்வினைகள்