Heterogeneous water oxidation
پانی کی آکسیکرن پانی کی تقسیم کے نصف رد عمل میں سے ایک ہے: 2H2O → O2 + 4H + + 4e − آکسیکرن (ڈائی آکسائیجن کی پیداوار) 4H + + 4e − → 2H2Reduction (ڈائی ہائیڈروجن کی پیداوار) 2H2O → 2H2 + O2 کل رد عمل دو نصف رد عمل میں سے، آکسیکرن مرحلہ سب سے زیادہ مطالبہ کرنے والا ہے کیونکہ اس کے لیے 4 الیکٹران اور پروٹون کی منتقلی اور آکسیجن آکسیجن بانڈ کی تشکیل کی ضرورت ہوتی ہے۔ یہ عمل قدرتی طور پر پودوں کے فوٹو سسٹم II میں فوٹو سنتھیسز کے عمل کے لیے پروٹون اور الیکٹران فراہم کرنے اور ماحول میں آکسیجن جاری کرنے کے ساتھ ساتھ کچھ برقی عمل میں بھی ہوتا ہے۔ چونکہ ہائیڈروجن کو متبادل صاف جلانے والے ایندھن کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے، اس لیے پانی کو مؤثر طریقے سے تقسیم کرنے کی ضرورت ہے۔ تاہم، ایسے معروف مواد موجود ہیں جو تخفیف کے مرحلے کو مؤثر طریقے سے ثالثی کر سکتے ہیں لہذا موجودہ تحقیق کا زیادہ تر مقصد آکسیکرن نصف رد عمل ہے جسے آکسیجن ارتقاء رد عمل (او ای آر) بھی کہا جاتا ہے۔ موجودہ تحقیق او ای آر کے طریقہ کار کو سمجھنے اور اس عمل کو متحرک کرنے والے نئے مواد کی ترقی پر مرکوز ہے۔ تھرموڈینامکس آکسیکرن اور تخفیف دونوں مراحل پی ایچ پر منحصر ہیں۔ شکل 1 پی ایچ 0 (مضبوطی سے تیزابیت) پر معیاری صلاحیت کو ظاہر کرتی ہے جیسا کہ عام ہائیڈروجن الیکٹروڈ (این ایچ ای) سے مراد ہے۔ 2 نصف تعاملات (پی ایچ = 0 پر) آکسیڈیشن 2 ایچ 2 او → 4 ایچ + + 4 ای − + او 2 ای ° =-1.23 وی بمقابلہ این ایچ ای ریڈکشن 4 ایچ + + 4 ای − 2 ایچ 2 ای ° = 0.00 وی بمقابلہ این ایچ ای مجموعی طور پر 2 ایچ 2 او → 2 ایچ 2 + او 2 ای ° سیل =-1.23 وی ؛ Δ جی = 475 کے جے/مول پانی کی تقسیم اعلی پی ایچ اقدار پر بھی کی جا سکتی ہے تاہم معیاری پوٹینشیل نرنسٹ مساوات کے مطابق مختلف ہوں گے اور اس لیے ہر پی ایچ یونٹ میں اضافے کے لیے-59 ایم وی سے منتقل ہوں گے۔ تاہم، کل خلیے کی صلاحیت (آکسیکرن اور تخفیف نصف خلیے کی صلاحیت کے درمیان فرق) 1.23 V رہے گی۔ اس صلاحیت کا تعلق گبز فری انرجی (δG) سے اس طرح ہو سکتا ہے: δG ° سیل = −nFE ° سیل جہاں n الیکٹرانوں کی تعداد فی مول پروڈکٹ ہے اور F فیراڈے مستقل ہے۔ لہذا، تھرموڈینامکس کے حساب سے O2 کا ایک مول بنانے کے لیے 475 kJ توانائی درکار ہوتی ہے۔ تاہم، حقیقت میں کوئی بھی عمل اتنا موثر نہیں ہو سکتا۔ نظام ہمیشہ ایک حد سے زیادہ صلاحیت کا شکار ہوتے ہیں جو ایکٹیویشن رکاوٹوں، ارتکاز کے اثرات اور مزاحمت کی وجہ سے وولٹیج کے گرنے سے پیدا ہوتے ہیں۔ ایکٹیویشن رکاوٹیں یا ایکٹیویشن انرجی اعلی توانائی کی منتقلی کی حالتوں سے وابستہ ہے جو او ای آر کے الیکٹرو کیمیکل عمل کے دوران پہنچ جاتی ہیں۔ ان رکاوٹوں کو کم کرنے سے او ای آر کو کم زیادہ صلاحیت اور تیز شرحوں پر ہونے کا موقع ملے گا۔ میکانزم ہیٹروجینیئس او ای آر اس سطح کے لیے حساس ہے جس پر رد عمل ہوتا ہے اور محلول کے پی ایچ سے بھی متاثر ہوتا ہے۔ تیزابیت اور الکلین حل کے لیے عمومی طریقہ کار ذیل میں دکھایا گیا ہے۔ تیزابیت کے حالات میں پانی پلاٹینم ہائیڈرو آکسائیڈ بنانے کے لیے ایک الیکٹران اور ایک پروٹون کو ناقابل واپسی ہٹانے کے ساتھ سطح سے جڑا رہتا ہے۔ ایک الکلین محلول میں ایک الیکٹران آکسیکرن کے ساتھ مل کر ہائیڈرو آکسائیڈ آئن کا ایک ریورسیبل بائنڈنگ ایک کاروبار کو محدود کرنے والے الیکٹرو کیمیکل مرحلے سے پہلے سمجھا جاتا ہے جس میں ایک پروٹون اور ایک الیکٹران کو ہٹا کر سطحی آکسائیڈ پرجاتیوں کی تشکیل ہوتی ہے۔ پی ایچ کی انتہاؤں کے درمیان میکانزم میں تبدیلی کو پانی سے متعلق آکسیڈائزنگ ہائیڈرو آکسائیڈ آئن کی حرکی سہولت سے منسوب کیا گیا ہے۔ ٹیفیل مساوات کا استعمال کرتے ہوئے، کوئی بھی الیکٹروڈ مواد کی حرکیات کے بارے میں حرکی معلومات حاصل کر سکتا ہے جیسے کہ کرنٹ ڈینسٹی اور ٹیفیل سلوپ کا تبادلہ۔ او ای آر کے بارے میں خیال کیا جاتا ہے کہ یہ صاف دھات کی سطحوں جیسے پلاٹینم پر نہیں ہوتا ہے، بلکہ اس کے بجائے آکسیجن کے ارتقاء سے پہلے آکسائڈ کی سطح بنتی ہے۔ اتپریرک مواد او ای آر کا مطالعہ مختلف قسم کے مواد پر کیا گیا ہے جن میں شامل ہیں: پلاٹینم کی سطحیں منتقلی دھاتی آکسائڈ پہلی صف منتقلی دھاتی اسپنلز اور پیرووسکائٹس۔ حال ہی میں میٹل آرگینک فریم ورک (ایم او ایف) پر مبنی مواد کو پہلی صف کی منتقلی دھاتوں کے ساتھ پانی کے آکسیکرن کے لیے ایک انتہائی امید افزا امیدوار دکھایا گیا ہے۔ سطح کی تیاری اور برقی تجزیہ کے حالات کا رد عمل (نقائص، اقدامات، کنکس، کم کوآرڈینیٹ سائٹس) پر بڑا اثر پڑتا ہے لہذا کسی او ای آر مواد کی خصوصیات کی اس کی بڑی ساخت سے پیش گوئی کرنا مشکل ہے۔ او ای آر کی حرکیات اور تھرموڈینامکس پر سطح کے اثرات کا بڑا اثر پڑتا ہے۔ پلاٹینم پلاٹینم او ای آر کے لیے وسیع پیمانے پر مطالعہ شدہ مواد رہا ہے کیونکہ یہ اس رد عمل کے لیے اتپریرک کے طور پر سب سے زیادہ فعال عنصر ہے۔ یہ 10−9 اے/سی ایم 2 کی ترتیب پر موجودہ کثافت کے تبادلے کی اقدار کو ظاہر کرتا ہے۔ او ای آر کا زیادہ تر میکانکی علم پلاٹینم اور اس کے آکسائڈ کے مطالعے سے اکٹھا کیا گیا تھا۔ یہ مشاہدہ کیا گیا کہ برقی تجزیہ کے دوران آکسیجن کے ارتقاء میں وقفہ تھا۔ لہذا، او ای آر شروع ہونے سے پہلے سطح پر آکسائڈ فلم بننا ضروری ہے۔ ٹیفیل ڈھلوان، جو برقی اتپریرک رد عمل کی حرکیات سے متعلق ہے، کم کرنٹ کثافت پر آکسائڈ پرت کی موٹائی سے آزاد دکھایا گیا تھا لیکن اعلی کرنٹ کثافت پر آکسائڈ کی موٹائی پر منحصر ہو جاتا ہے۔ اریڈیم آکسائڈ اریڈیم آکسائڈ (آئی آر او 2) صنعت کا معیاری او ای آر اتپریرک ہے جو پولیمر الیکٹرولائٹ جھلی برقی تجزیہ میں اس کے اعلی استحکام کی وجہ سے استعمال ہوتا ہے۔ اسے پہلی بار 1970 کی دہائی میں او ای آر اتپریرک کے طور پر تجویز کیا گیا تھا، اور اس کے بعد سے اس پر وسیع پیمانے پر تحقیق اور عمل درآمد کیا گیا ہے۔ روتھینیئم آکسائڈ (آر یو او 2) تیزابیت والے ماحول میں او ای آر مواد کے طور پر کچھ بہترین کارکردگی دکھاتا ہے۔ اس کا مطالعہ 1970 کی دہائی کے اوائل سے پانی کے آکسیکرن اتپریرک کے طور پر کیا گیا ہے جس میں اس وقت او ای آر کے لیے سب سے کم اطلاع شدہ زیادہ صلاحیت تھی۔ اس کے بعد سے اس کی تحقیق او ای آر کے لیے آر یو (110) سنگل کرسٹل آکسائیڈ سطحوں، کمپیکٹ فلموں، ٹائٹینیم سپورٹڈ فلموں میں کی گئی ہے۔ رو او 2 فلمیں غیر فعال سبسٹریٹس پر روتھینیم کلورائد کے تھرمل سڑنے سے تیار کی جا سکتی ہیں۔ اسپنل مواد اسپنل مرکبات متنوع پانی کے آکسیکرن اتپریرک کو ڈیزائن کرنے میں انتہائی مفید ہیں۔ عام طور پر یہ اسپنلز اکثر کاربن کے مواد پر لیپت ہوتے ہیں اور پانی کے آکسیکرن کی صلاحیتوں کو بڑھانے کے لیے ان کی جالی میں آکسیجن کی خالی جگہ پیدا کرنے کے لیے مزید کم کیے جاتے ہیں۔ حوالہ جات ہائیڈروجن کی پیداوار کیمیائی تعاملات