ক্যাফেইন দিয়ে জ্বালানী কোষের কার্যক্ষমতা বৃদ্ধি করা সম্ভব

বর্তমান সময়ে শক্তি উৎপাদনের নতুন সমাধান হলো ফুয়েল সেল বা জ্বালানী কোষ। সাম্প্রতিক এক গবেষণা মতে, ক্যাফেইন দিয়ে জ্বালানী কোষের কার্যক্ষমতা বৃদ্ধি করা সম্ভব। জ্বালানী কোষ একটি অ্যানোড এবং একটি ক্যাথোড (ইলেক্ট্রোলাইট দ্বারা বিভক্ত) নিয়ে গঠিত, যা সরাসরি জ্বালানীর রাসায়নিক শক্তিকে বিদ্যুতে রূপান্তরিত করে।

অ্যানোডে জ্বালানি সরবরাহ করা হয় এবং ক্যাথোডে একটি অক্সিডেন্ট-সাধারণত বাতাস থেকে অক্সিজেন সংরক্ষণ করা হয়। হাইড্রোজেন ফুয়েল সেলের অ্যানোডে, হাইড্রোজেনকে হাইড্রোজেন আয়ন এবং ইলেকট্রন তৈরি করতে জাড়িত করা হয়। যখন আয়নগুলো ইলেক্ট্রোলাইট থেকে ক্যাথোডে যায় এবং ইলেকট্রনগুলো একটি বাহ্যিক সার্কিটের মধ্য দিয়ে যায় তখন বিদ্যুৎ উৎপন্ন হয়।

ক্যাথোডে হাইড্রোজেন আয়ন এবং ইলেকট্রনের সাথে অক্সিজেনের প্রতিক্রিয়ার একমাত্র উপজাত পানি। কিন্তু বিদ্যুৎ উৎপাদনের বর্তমান পদ্ধতির তুলনায় জ্বালানি কোষ এখনও অস্থিতিশীল এবং ব্যয়বহুল। ফুয়েল সেলগুলোর দক্ষতার সাথে কাজ করার জন্য একটি উচ্চ মাত্রার প্লাটিনাম প্রয়োজন, যা যথেষ্ট পরিমাণে জ্বালানী কোষের খরচ বাড়ায়।

এর সমাধান হিসেবে জাপানের চিবা ইউনিভার্সিটির গ্র্যাজুয়েট স্কুল অফ ইঞ্জিনিয়ারিং থেকে প্রফেসর নাগাহিরো হোশি, মাসাশি নাকামুরা, রিউতা কুবো এবং রুই সুজুকি আবিষ্কার করেছেন যে নির্দিষ্ট প্ল্যাটিনাম ইলেক্ট্রোডে ক্যাফেইন যোগ করলে ORR (oxygen reduction reaction) / অক্সিজেন বিজারণ বিক্রিয়া এর কার্যকলাপ বৃদ্ধি পায়। 

ক্যাফেইন এক কথায় বলতে গেলে চা ও কফির উদ্দিপক উপাদান। আমরা যে চা বা কফি খেয়ে চাঙ্গা অনুভব করি তা এই ক্যাফেইন এর কারণেই। যে ক্যাফেইন আমাদেরকে মানসিক ভাবে ফুরফুরে করে তুলে, কাজ করার উদ্দীপনা বা কার্যক্ষমতা বাড়িয়ে দেয় সেই ক্যাফেইন এখন ফুয়েল সেল এর কার্যক্ষমতা বৃদ্ধিতে ব্যবহৃত হবে। এর মাধ্যমে প্ল্যাটিনামের প্রয়োজনীয়তা হ্রাস করতে পারে, খরচ কমাতে পারে এবং জ্বালানী কোষের দক্ষতাও বাড়াতে পারে৷

অধ্যাপক হোশি একটি বিবৃতিতে বলেছেন,

“ক্যাফেইন, কফিতে থাকা রাসায়নিক উপাদানগুলোর মধ্যে একটি, একটি সু-সংজ্ঞায়িত প্লাটিনাম ইলেক্ট্রোড যার পারমাণবিক বিন্যাস ষড়ভুজাকার, এর জ্বালানী কোষের কার্জক্ষমতাকে 11-গুণ বাড়িয়ে দেয়।”

ORR-এ ক্যাফেইনের প্রভাব নির্ধারণ করতে, গবেষকরা ক্যাফেইন-ধারণকারী ইলেক্ট্রোলাইটে নিমজ্জিত প্ল্যাটিনাম ইলেক্ট্রোডের মাধ্যমে বিদ্যুৎ প্রবাহ পর্যবেক্ষণ করেছেন। প্ল্যাটিনামের পৃষ্ঠের পরমাণুগুলো বিভিন্ন অভিযোজনে সাজানো যেতে পারে। 

হোশি Pt(111), Pt(110), এবং Pt(100) নামক তিনটি পারমাণবিক বিন্যাস সহ তিনটি প্ল্যাটিনাম প্রকার পরীক্ষা করেন। ক্যাফেইন প্ল্যাটিনামকে সুরক্ষিত করে এবং Pt(111) এবং Pt(110) এর কার্যক্ষমতা উন্নত করে, কিন্তু Pt(100) এ ক্ষেত্রে ব্যতিক্রম। 1 × 10−6 এর ক্যাফেইন মোলার ঘনত্বে, Pt(111) এবং Pt(110) এ ORR কার্যকলাপ যথাক্রমে 11 এবং 2.5 গুণ বৃদ্ধি পেয়েছে, তবে Pt(100)-এর উপর কোন লক্ষণীয় প্রভাব নেই।

ইলেক্ট্রোলাইটে ক্যাফেইনের ঘনত্ব বৃদ্ধির সাথে ইলেক্ট্রোডের ORR কার্যকলাপে একটি উল্লেখযোগ্য উন্নতি হয়েছে বলে জানা গেছে। ক্যাফেইন উপস্থিত হলে ইলেক্ট্রোডের পৃষ্ঠে শোষণ করে হাইড্রোজেন শোষণ এবং ইলেক্ট্রোডে Pt অক্সাইড গঠনে বাধা দেয়। যাইহোক, ক্যাফেইনের প্রভাব ইলেক্ট্রোডের পৃষ্ঠে প্ল্যাটিনাম পরমাণুর অভিযোজনের উপর নির্ভর করে।এই পার্থক্যটি বোঝার জন্য গবেষকরা ইনফ্রারেড প্রতিফলন শোষণ স্পেকট্রোস্কোপি ব্যবহার করে ইলেক্ট্রোড পৃষ্ঠে ক্যাফেইনের আণবিক অভিযোজন অনুসন্ধান করেছেন।

Pt(111) এবং Pt(110) এ প্ল্যাটিনাম পরমাণুর বিন্যাস ক্যাফেইন অণুগুলোকে ইলেক্ট্রোড পৃষ্ঠে লম্বভাবে শোষিত হতে দেয়। এই কনফিগারেশন প্রতিক্রিয়া কার্যকলাপে যথাক্রমে 11-গুণ এবং 2.5-গুণ বৃদ্ধির দিকে পরিচালিত করে। যখন দলটি Pt(100) এর পৃষ্ঠে ক্যাফেইন এবং পরমাণুর মধ্যে মিথস্ক্রিয়াটি ঘটিয়েছিল, তখন তারা দেখেছিল যে ক্যাফেইন লম্বের পরিবর্তে একটু বাঁকা হয়ে সংযুক্ত থাকে যা প্রতিক্রিয়া কার্যকলাপের সম্ভাব্য বৃদ্ধিতে বাঁধা দেয়।

বিজ্ঞানীদের মতে, এটি স্টেরিক বাধার (অণুর মধ্যে বন্ধনহীন মিথস্ক্রিয়া যা তাদের আকৃতি এবং প্রতিক্রিয়া পরিবর্তন করে) কারণে হয়েছিল যা Pt(100) এ প্ল্যাটিনাম পরমাণুর বিন্যাস দ্বারা উৎপাদিত হয়। তারা ১×১০^-৬ এর মোলার ঘনত্বে ক্যাফেইন পরিবর্তিত Pt(111) এর জন্য একটি আশ্চর্য জনক কার্যক্ষমতা বৃদ্ধি লক্ষ্য করে, যার উপরে প্রতিক্রিয়া কার্যকলাপ হ্রাস পায়।

প্রফেসর হোশি বলেছেন,

“Pt(111) এবং Pt(110) এর ORR ক্রিয়াকলাপ হ্রাস PtOH কভারেজ এবং শোষণ করা ক্যাফেইনের নিম্ন স্টেরিক বাধার জন্য দায়ী করা হয়েছিল। বিপরীতভাবে, Pt(100) এর জন্য, PtOH হ্রাসের প্রভাবটি শোষণ করা ক্যাফেইনের স্টেরিক বাধা দ্বারা প্রতিহত হয়েছিল, এবং এইভাবে ক্যাফেইন ORR কার্যকলাপকে প্রভাবিত করেনি।”

পারফরম্যান্সের এসব সীমাবদ্ধতা এখনও স্পষ্ট নয় তবে তারা বলছে তাদের গবেষণা চালিয়ে যাবে। এই অজানা সত্ত্বেও, ক্যাফেইনের কার্যক্ষমতার বর্তমান বৃদ্ধিতে গবেষকরা আশাবাদী যে প্রস্তাবিত পদ্ধতিতে জ্বালানী কোষের ডিজাইন উন্নত করার এবং তাদের ব্যাপক ব্যবহারের দিকে পরিচালিত করার সম্ভাবনা রয়েছে। পরীক্ষণটি সফল হলে ভবিষ্যতে যেমন জ্বালানী কোষের ওপর চাপ কমবে একই সাথে কোষে ক্যাফেইনের ব্যবহারে শক্তিও আগের থেকে আরও বেশী উৎপাদন করা যাবে।

আমিনুল ইসলাম সিয়াম / নিজস্ব প্রতিবেদক 

তথ্যসূত্রঃ ন্যাচার.কম, ইলেক্ট্রিকহাইব্রিড ভেহিকেল টেকনোলোজি 

‌