Palladium hydride
पैलेडियम हाइड्राइड धातु पैलेडियम है जिसमें अपने क्रिस्टल जाली के भीतर पर्याप्त मात्रा में हाइड्रोजन होता है। इसके नाम के बावजूद, यह एक आयनिक हाइड्राइड नहीं है, बल्कि धातु हाइड्रोजन के साथ पैलेडियम का एक मिश्र धातु है जिसे PdHx लिखा जा सकता है। कमरे के तापमान पर, पैलेडियम हाइड्राइड में दो क्रिस्टलीय चरण हो सकते हैं, α और β (कभी-कभी α 'कहा जाता है)। शुद्ध α-चरण x <0.017 पर मौजूद है जबकि शुद्ध β-चरण x> 0.58 के लिए प्राप्त किया जाता है; मध्यवर्ती x मान α-β मिश्रणों के अनुरूप होते हैं। पैलेडियम द्वारा हाइड्रोजन अवशोषण प्रतिवर्ती है और इसलिए हाइड्रोजन भंडारण के लिए इसकी जांच की गई है। पैलेडियम इलेक्ट्रोड का उपयोग कुछ ठंडे संलयन प्रयोगों में किया गया है, इस परिकल्पना के तहत कि हाइड्रोजन को पैलेडियम परमाणुओं के बीच "निचोड़ा" जा सकता है ताकि उन्हें कम तापमान पर संलयन में मदद मिल सके जो अन्यथा आवश्यक होगा। पैलेडियम द्वारा हाइड्रोजन गैस के अवशोषण को पहली बार 1866 में टी. ग्राहम द्वारा नोट किया गया था और इलेक्ट्रोलाइटिक रूप से उत्पादित हाइड्रोजन का अवशोषण, जहां हाइड्रोजन को पैलेडियम कैथोड में अवशोषित किया गया था, पहली बार 1939 में प्रलेखित किया गया था। ग्राहम ने रचना PdH0.75 के साथ एक मिश्र धातु का उत्पादन किया। पैलेडियम हाइड्राइड धातुओं को जाली में व्यवस्थित किया जाता है, और धातु हाइड्राइड बनाने में, हाइड्रोजन परमाणु जाली में अंतरालीय स्थलों में खुद को रखते हैं। पैलेडियम हाइड्राइड के लिए भी यही स्थिति है। जब एक पैलेडियम जाली की सतह को एक H2 अणु के संपर्क में लाया जाता है तो दो हाइड्रोजन परमाणु विभाजित हो जाते हैं, प्रत्येक एक अंतरालीय स्थल पर अवशोषित हो जाते हैं। हाइड्रोजन के अंतरालीय स्थान से एक गैर-स्टोइकिओमेट्रिक मिश्रण हो सकता है, यानी, पैलेडियम और हाइड्रोजन के अनुपात को एक प्राकृतिक संख्या द्वारा नहीं दर्शाया जा सकता है। जिस अनुपात में H को Pd पर अवशोषित किया जाता है, उसे इस प्रकार परिभाषित किया जाता है। जब Pd को 1 एटीएम के दबाव के साथ H2 वातावरण में लाया जाता है, तो H की परिणामी सांद्रता x ~ 0.7 तक पहुंच जाती है। हालांकि, अतिचालकता प्राप्त करने के लिए H की सांद्रता अधिक है। इसलिए, एच की सांद्रता को x> 0.75 तक बढ़ाया जाना चाहिए। यह तीन अलग-अलग मार्गों से किया जाता है। यह ज्ञात है कि हाइड्रोजन आसानी से पैलेडियम से अवशोषित हो जाता है; इसलिए, पी. डी. से एच. के अवशोषण को रोकने के लिए अतिरिक्त सावधानी बरती जानी चाहिए। पहला मार्ग गैस चरण से लोडिंग है। एक पी. डी. नमूने को कमरे के तापमान पर एच. 2 की उच्च दबाव वाली कोशिका में रखा जाता है। एच2 को एक केशिका के माध्यम से जोड़ा जाता है। नतीजतन, एच को पी. डी. पर लोड किया जाता है। इस बंधन को बनाए रखने के लिए, दबाव कोशिका को तरल एन2 तापमान (77 के) तक ठंडा किया जाएगा। परिणामी सांद्रता [H]/[Pd] = 0.97 पाई जाती है। दूसरा मार्ग विद्युत रासायनिक बंधन है। यह एक ऐसी विधि है जिसमें विद्युत रासायनिक चरण में एच और ठोस चरण में एच के बीच संतुलन के रूप में प्रतिक्रिया के माध्यम से उच्च दबाव वाले वातावरण का उपयोग किए बिना अतिचालकता के लिए महत्वपूर्ण सांद्रता को आसानी से पार किया जा सकता है। हाइड्रोजन को पी. डी. और पी. डी.-नी मिश्र धातुओं में ~ 0.95 की एच सांद्रता द्वारा जोड़ा जाता है। इसके बाद, इसे 50 से 150 mA/cm3 के वर्तमान घनत्व के साथ 0.1n-H2SO4 के विद्युत अपघटन में लोड किया गया है। अंत में, लोडिंग तापमान को ~ 190 K तक कम करने के बाद, x ~ 1 की H सांद्रता तक पहुँच गया है। तीसरे मार्ग को आयन प्रत्यारोपण के रूप में जाना जाता है। पी. डी. में एच आयनों के प्रत्यारोपण से पहले, पी. डी. पन्नी को एच के साथ पूर्व-चार्ज किया जाता था। यह एच2 उच्च तापमान वाली गैस में किया जाता है। इससे प्रत्यारोपण का समय कम हो जाता है। पहुँचने वाली सांद्रता लगभग x ~ 0.7 है। इसके बाद प्रत्यारोपण होने से पहले एच के नुकसान को रोकने के लिए पन्नी को 77 केल्विन के तापमान तक ठंडा किया जाता है। PdHx में H का प्रत्यारोपण 4 K के तापमान पर होता है। H आयन H2 +-बीम में प्रवेश करते हैं। इसके परिणामस्वरूप पीडी पन्नी में एच की उच्च सांद्रता परत बनती है। पैलेडियम की रासायनिक संरचना और गुणों को कभी-कभी रूपक रूप से "धातु स्पंज" कहा जाता है (अधिक शाब्दिक धातु स्पंज के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए) क्योंकि यह हाइड्रोजन को "जैसे स्पंज पानी को सोख लेता है" सोख लेता है। कमरे के तापमान और वायुमंडलीय दबाव (मानक परिवेश तापमान और दबाव) पर, पैलेडियम हाइड्रोजन की अपनी मात्रा का 900 गुना तक अवशोषित कर सकता है। हाइड्रोजन को धातु-हाइड्राइड में अवशोषित किया जा सकता है और फिर हजारों चक्रों के लिए वापस अवशोषित किया जा सकता है। शोधकर्ता पैलेडियम भंडारण के उपयोगी जीवन को बढ़ाने के तरीकों की तलाश करते हैं। आकार प्रभाव हाइड्रोजन का अवशोषण दो अलग-अलग चरणों का उत्पादन करता है, जिनमें से दोनों में एक चेहरे-केंद्रित घन (एफसीसी, चट्टानों का नमक) जाली में पैलेडियम धातु परमाणु होते हैं, जो शुद्ध पैलेडियम धातु के समान संरचना है। कम सांद्रता पर PdH0.02 तक पैलेडियम जाली का थोड़ा विस्तार होता है, 388.9 से 389.5 तक। इस सांद्रता के ऊपर दूसरा चरण 402.5 पी. एम. के जाली स्थिरांक के साथ दिखाई देता है। दोनों चरण तब तक सह-अस्तित्व में रहते हैं जब तक कि अल्फा चरण गायब होने पर PdH0.58 की संरचना न हो जाए। न्यूट्रॉन विवर्तन अध्ययनों से पता चला है कि हाइड्रोजन परमाणु यादृच्छिक रूप से धातु जाली में ऑक्टाहेड्रल अंतराल पर कब्जा कर लेते हैं (एक एफसीसी जाली में प्रति धातु परमाणु एक ऑक्टाहेड्रल छेद होता है)। सामान्य दबाव पर अवशोषण की सीमा PdH0.7 है, जो दर्शाता है कि लगभग 70 प्रतिशत ऑक्टाहेड्रल छेद भरे हुए हैं। जब x = 1 तक पहुँच जाता है, तो ऑक्टाहेड्रल इंटरस्टिस पूरी तरह से व्याप्त हो जाते हैं। हाइड्रोजन का अवशोषण प्रतिवर्ती है, और हाइड्रोजन धातु जाली के माध्यम से तेजी से फैलता है। धातु चालकता कम हो जाती है क्योंकि हाइड्रोजन अवशोषित हो जाता है, जब तक कि लगभग PdH0.5 पर ठोस अर्धचालक नहीं बन जाता है। थोक हाइड्राइड का यह गठन उत्प्रेरक पी. डी. के आकार पर निर्भर करता है। जब पी. डी. 2.6nm से छोटा हो जाता है, तो हाइड्राइड नहीं बनेंगे। थोक में घुलनशील हाइड्रोजन सतह पर घुलनशील हाइड्रोजन से भिन्न होता है। जब पैलेडियम के कण आकार में कम हो जाते हैं, तो इन छोटे पी. डी. कणों में कम हाइड्रोजन घुल जाता है। इसलिए, छोटे कणों की सतह पर अपेक्षाकृत अधिक हाइड्रोजन अवशोषित होता है। कणों पर अवशोषित यह हाइड्रोजन हाइड्राइड नहीं बनाता है। इसलिए, बड़े कणों में हाइड्राइड के निर्माण के लिए अधिक स्थान उपलब्ध होते हैं। इलेक्ट्रॉन और फोनन बैंड पी. डी. एच. (ऑक्ट) की बैंड संरचना का सबसे महत्वपूर्ण गुण यह है कि भरे हुए पी. डी. अवस्थाओं को हाइड्रोजन की उपस्थिति के साथ कम किया जाता है। इसके अलावा, पी. डी. एच. के सबसे कम ऊर्जा स्तर, जो बंधन अवस्थाएँ हैं, पी. डी. की तुलना में कम हैं। इसके अतिरिक्त, खाली पी. डी. अवस्थाएँ, जो फर्मी ऊर्जा से नीचे हैं, भी एच. पैलेडियम की उपस्थिति के साथ कम हो जाती हैं, हाइड्रोजन की एस अवस्था और पैलेडियम की पी अवस्थाओं के बीच बातचीत के कारण हाइड्रोजन के साथ रहना पसंद करते हैं। एक स्वतंत्र एच परमाणु की ऊर्जा पी. डी. बैंड के प्रमुख पी-राज्यों की ऊर्जा सीमा में निहित होती है। इसलिए, फर्मी-ऊर्जा के तहत इन खाली अवस्थाओं और डी-बैंड में छेद भरे जाते हैं। इसके अतिरिक्त, हाइड्राइड गठन डी बैंड के ऊपर फर्मी स्तर को बढ़ाता है। डी-बैंड के ऊपर खाली अवस्थाएँ भी भरी जाती हैं। इसके परिणामस्वरूप भरी हुई पी-अवस्थाएँ होती हैं और 'किनारे' को उच्च ऊर्जा स्तर पर ले जाती हैं। सुपरकंडक्टिविटी पी. डी. एच. एक्स. एक सुपरकंडक्टर है जिसका संक्रमण तापमान एक्स = 1 के लिए लगभग 9 के. सी. है। (शुद्ध पैलेडियम अतिचालक नहीं है)। प्रतिरोधकता बनाम तापमान वक्र में गिरावट हाइड्रोजन-समृद्ध (x ~ 1), गैर-स्टोइकोमेट्रिक पैलेडियम हाइड्राइड में उच्च तापमान (273 K तक) पर देखी गई और सुपरकंडक्टिंग संक्रमण के रूप में व्याख्या की गई। इन परिणामों पर सवाल उठाए गए हैं और अभी तक इनकी पुष्टि नहीं हुई है। कई अन्य हाइड्राइड-प्रणालियों की तुलना में पैलेडियम-हाइड्राइड का एक बड़ा लाभ यह है कि सुपरकंडक्टिंग बनने के लिए पैलेडियम-हाइड्राइड पर अत्यधिक दबाव डालने की आवश्यकता नहीं है। यह माप को आसान बनाता है और विभिन्न प्रकार के माप के लिए अधिक अवसर देता है (कई सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों को 102 जी. पी. ए. के क्रम पर सुपरकंडक्ट करने में सक्षम होने के लिए अत्यधिक दबाव की आवश्यकता होती है। इसलिए पैलेडियम-हाइड्राइड का उपयोग उन हाइड्राइड-प्रणालियों में हाइड्रोजन की भूमिका का पता लगाने के लिए भी किया जा सकता है जो सुपरकंडक्टर हैं। संवेदनशीलता पैलेडियम हाइड्राइड के चुंबकीय गुणों में से एक संवेदनशीलता है। पी. डी. एच. एक्स. की संवेदनशीलता एच. की सांद्रता को बदलते समय काफी हद तक भिन्न होती है। यह पी. डी. एच. एक्स. के β-चरण के कारण होता है। पी. डी. एच. का α-चरण फर्मी सतह की उसी सीमा में स्थित है जो पी. डी. स्वयं है, इसलिए α-चरण संवेदनशीलता को प्रभावित नहीं करता है। हालाँकि, पी. डी. एच. एक्स. का β-चरण डी-बैंड को भरने वाले एस-इलेक्ट्रॉनों द्वारा विशेषता है। इसलिए, एच की बढ़ती सांद्रता के साथ कमरे के तापमान पर α-β मिश्रण की संवेदनशीलता कम हो जाती है। अंत में, जब शुद्ध पी. डी. के स्पिन उतार-चढ़ाव कम हो जाते हैं, तो सुपरकंडक्टिविटी होगी। विशिष्ट ऊष्मा क्षमता एक अन्य धातु गुण इलेक्ट्रॉनिक ऊष्मा गुणांक γ है। यह गुणांक अवस्थाओं के घनत्व पर निर्भर करता है। शुद्ध पी. डी. के लिए ऊष्मा गुणांक 9.5 एम. जे. (मोल-के2) है। जब H को शुद्ध Pd में जोड़ा जाता है, तो इलेक्ट्रॉनिक ऊष्मा गुणांक गिर जाता है। x = 0.83 से x = 0.88 की सीमा के लिए γ को केवल Pd के मामले में छह गुना छोटा माना जाता है। यह क्षेत्र अतिचालक क्षेत्र है। हालाँकि, ज़िमरमैन और अन्य ने x = 0.96 की सांद्रता के लिए ऊष्मा गुणांक γ को भी मापा। इस सांद्रता पर सुपरकंडक्टिंग संक्रमण का विस्तार देखा गया। इसके कारणों में से एक को पी. डी. एच. की मैक्रोस्कोपिक संरचना की असमरूपता से समझाया जा सकता है। x के इस मान पर γ में भारी उतार-चढ़ाव होता है और इसलिए यह अनिश्चित है। सुपरकंडक्टिविटी होने के लिए महत्वपूर्ण सांद्रता x ~ 0.72 होने का अनुमान है। महत्वपूर्ण तापमान या अतिचालक संक्रमण तापमान 9 केल्विन होने का अनुमान है। यह x = 1 की स्टोइकिओमेट्रिक सांद्रता पर प्राप्त किया गया था। इसके अलावा, दबाव महत्वपूर्ण तापमान को भी प्रभावित करता है। यह दिखाया गया है कि पी. डी. एच. एक्स. पर दबाव बढ़ने से टी. सी. कम हो जाता है। इसे फोनन स्पेक्ट्रम के सख्त होने से समझाया जा सकता है, जिसमें इलेक्ट्रॉन-फोनन स्थिरांक λ में कमी शामिल है। सतह अवशोषण प्रक्रिया हाइड्रोजन अणु के पृथक्करण को बढ़ावा देने के लिए क्रिस्टल की सतह पर कम से कम तीन रिक्तियों के समुच्चय की आवश्यकता के लिए टनलिंग माइक्रोस्कोपी को स्कैन करके हाइड्रोजन के अवशोषण की प्रक्रिया को दिखाया गया है। इस तरह के व्यवहार के कारण और ट्रिमर की विशेष संरचना का विश्लेषण किया गया है। उपयोग हाइड्रोजन का अवशोषण प्रतिवर्ती है और अत्यधिक चयनात्मक है। औद्योगिक रूप से, एक पैलेडियम-आधारित विसारक विभाजक का उपयोग किया जाता है। अशुद्ध गैस पतली दीवार वाली चांदी-पैलेडियम मिश्र धातु की नलियों के माध्यम से पारित की जाती है क्योंकि प्रोटियम और ड्यूटेरियम मिश्र धातु झिल्ली के माध्यम से आसानी से फैल जाते हैं। जिस गैस के माध्यम से आता है वह शुद्ध और उपयोग के लिए तैयार है। पैलेडियम को अपनी ताकत और भंगुरता के प्रतिरोध में सुधार के लिए चांदी के साथ मिश्रित किया जाता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि बीटा चरण के गठन से बचा जाए, जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है कि जाली विस्तार विकृतियों और झिल्ली के विभाजन का कारण बनेगा, तापमान 300 डिग्री सेल्सियस से ऊपर बनाए रखा जाता है। पैलेडियम-हाइड्राइड का एक अन्य उपयोग शुद्ध पैलेडियम के संबंध में एच2-अणुओं का अधिशोषण बढ़ाना है। 2009 में एक अध्ययन किया गया था जिसमें इस तथ्य का परीक्षण किया गया था। 1 बार के दबाव पर, पैलेडियम की सतह से चिपके हाइड्रोजन अणुओं की संभावना बनाम पैलेडियम-हाइड्राइड की सतह से चिपके रहने की संभावना को मापा गया था। पैलेडियम के चिपकने की संभावना उन तापमानों पर अधिक पाई गई जहां उपयोग किए गए पैलेडियम और हाइड्रोजन मिश्रण का चरण शुद्ध β-चरण था, जो इस संदर्भ में पैलेडियम-हाइड्राइड से मेल खाता है (1 बार पर इसका मतलब है कि तापमान लगभग 160 डिग्री सेल्सियस से अधिक है), तापमान के विपरीत जहां β-और α-चरण सह-अस्तित्व में हैं और यहां तक कि कम तापमान जहां शुद्ध α-चरण है (यहां α-चरण पैलेडियम में हाइड्रोजन परमाणुओं के ठोस समाधान से मेल खाता है)। इन चिपकने की संभावनाओं को जानने से व्यक्ति को समीकरण के आधार पर अधिशोषण की दर की गणना करने में सक्षम बनाता है जहां उपरोक्त चिपकने की संभावना है और पैलेडियम/पैलेडियम-हाइड्राइड की सतह की ओर हाइड्रोजन अणुओं का प्रवाह है। जब प्रणाली एक स्थिर स्थिति में होती है, तो हमारे पास अधिशोषण की दर और इसके विपरीत, अपशोषण की दर () बराबर होनी चाहिए। यह बताता है कि अपशोषण की दर को बोल्ट्ज़मैनियन वितरण द्वारा दिया जाता है, अर्थात। (*) जहाँ कुछ अज्ञात स्थिरांक है, अपशोषण ऊर्जा है, बोल्ट्जमैन का स्थिरांक है और तापमान है। संबंध (*) का मान ज्ञात करने के लिए फिट किया जा सकता है। यह पाया गया कि उनके प्रयोग की अनिश्चितता के भीतर, पैलेडियम और पैलेडियम-हाइड्राइड के मान क्रमशः लगभग बराबर थे। इस प्रकार पैलेडियम-हाइड्राइड की औसत अधिशोषण दर पैलेडियम की तुलना में अधिक है, जबकि अपशोषण के लिए आवश्यक ऊर्जा समान है। इस तथ्य की व्याख्या खोजने के लिए घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत का प्रदर्शन किया गया था। यह पाया गया कि पैलेडियम-हाइड्राइड सतह के साथ हाइड्रोजन का बंधन पैलेडियम सतह के साथ बंधन की तुलना में कमजोर है और पैलेडियम-हाइड्राइड के लिए अवशोषण सक्रियण बाधा पैलेडियम की तुलना में थोड़ी मात्रा में कम है, हालांकि अवशोषण बाधाएं परिमाण में तुलनीय हैं। इसके अलावा, पैलेडियम-हाइड्राइड के लिए अधिशोषण की गर्मी पैलेडियम की तुलना में कम होती है, जिससे एच का कम संतुलन सतह कवरेज होता है। इसका मतलब है कि पैलेडियम-हाइड्राइड की सतह कम संतृप्त होगी, जिससे चिपकने का अधिक अवसर मिलता है, अर्थात। एक उच्च चिपकने की संभावना। पैलेडियम का प्रतिवर्ती अवशोषण हाइड्रोजन को संग्रहीत करने का एक साधन है, और उपरोक्त निष्कर्ष बताते हैं कि पैलेडियम की हाइड्रोजन-अवशोषित अवस्था में भी हाइड्रोजन के भंडारण के लिए और अवसर है। हाइड्रोजन संवेदक संदर्भ भी देखें बाहरी लिंक पैलेडियम यौगिक धातु हाइड्राइड