Palladium hydride
پیلیڈیم ہائیڈرائڈ دھاتی پیلیڈیم ہے جس میں اس کے کرسٹل جالی کے اندر ہائیڈروجن کی کافی مقدار ہوتی ہے۔ اس کے نام کے باوجود، یہ آئنک ہائیڈرائڈ نہیں ہے بلکہ دھاتی ہائیڈروجن کے ساتھ پیلیڈیم کا مرکب ہے جسے PdHx لکھا جا سکتا ہے۔ کمرے کے درجہ حرارت پر، پیلیڈیم ہائیڈرائڈز میں دو کرسٹل مرحلے، α اور β (بعض اوقات α 'کہا جاتا ہے) ہو سکتے ہیں۔ خالص α-فیز x <0.017 پر موجود ہے جبکہ خالص β-فیز x> 0.58 کے لیے حاصل کیا جاتا ہے ؛ انٹرمیڈیٹ x اقدار α-β مرکب سے مطابقت رکھتی ہیں۔ پیلیڈیم کے ذریعے ہائیڈروجن کا جذب قابل واپسی ہے اور اس لیے ہائیڈروجن ذخیرہ کرنے کے لیے اس کی تحقیق کی گئی ہے۔ پیلڈیم الیکٹروڈ کو کچھ کولڈ فیوژن تجربات میں استعمال کیا گیا ہے، اس مفروضے کے تحت کہ ہائیڈروجن کو پیلڈیم ایٹموں کے درمیان "نچوڑا" جا سکتا ہے تاکہ انہیں کم درجہ حرارت پر فیوز کرنے میں مدد ملے جس کی بصورت دیگر ضرورت ہوگی۔ پیلیڈیم کے ذریعے ہائیڈروجن گیس کے جذب کو سب سے پہلے 1866 میں ٹی گراہم نے نوٹ کیا تھا اور برقی طور پر تیار شدہ ہائیڈروجن کا جذب، جہاں ہائیڈروجن کو پیلیڈیم کیتھوڈ میں جذب کیا گیا تھا، پہلی بار 1939 میں دستاویز کیا گیا تھا۔ گراہم نے PdH0.75 ساخت کے ساتھ ایک مرکب تیار کیا۔ پیلیڈیم ہائیڈرائڈ بنانے والی دھاتیں جالی میں ترتیب دی جاتی ہیں، اور دھاتی ہائیڈرائڈز بنانے میں، ہائیڈروجن ایٹم خود کو جالی میں انٹرسٹیشیل سائٹس میں رکھتے ہیں۔ پیلیڈیم ہائیڈرائڈ کا بھی یہی معاملہ ہے۔ جب پیلڈیم جالی کی سطح کو H2 مالیکیول کے ساتھ رابطے میں لایا جاتا ہے تو دو ہائیڈروجن ایٹم تقسیم ہو جاتے ہیں، ہر ایک انٹرسٹیشیل سائٹ پر جذب ہو جاتا ہے۔ ہائیڈروجن کی انٹرسٹیشیل پوزیشننگ غیر اسٹائکیومیٹرک مرکب کا باعث بن سکتی ہے، یعنی پیلیڈیم اور ہائیڈروجن کے تناسب کو قدرتی نمبر سے ظاہر نہیں کیا جا سکتا۔ وہ تناسب جس میں H Pd پر جذب ہوتا ہے اس کی تعریف اس طرح کی جاتی ہے۔ جب Pd کو 1 اے ٹی ایم کے دباؤ کے ساتھ H2 ماحول میں لایا جاتا ہے، تو اس کے نتیجے میں H کا ارتکاز x ~ 0.7 تک پہنچ جاتا ہے۔ تاہم، سپر کنڈکٹیویٹی حاصل کرنے کے لیے H کا ارتکاز زیادہ ہوتا ہے۔ لہذا، H کا ارتکاز x> 0.75 تک بڑھایا جانا چاہیے۔ یہ تین مختلف راستوں سے کیا جاتا ہے۔ یہ معلوم ہے کہ ہائیڈروجن پیلیڈیم سے آسانی سے خارج ہو جاتا ہے ؛ اس لیے، پی ڈی سے ایچ کے خارج ہونے کو روکنے کے لیے اضافی احتیاط برتی جانی چاہیے۔ پہلا راستہ گیس مرحلے سے لوڈنگ ہے۔ پی ڈی نمونے کو کمرے کے درجہ حرارت پر ایچ 2 کے ہائی پریشر سیل میں رکھا جاتا ہے۔ H2 کو کیپلری کے ذریعے شامل کیا جاتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، H کو Pd پر لوڈ کیا جاتا ہے۔ اس بندھن کو برقرار رکھنے کے لیے، دباؤ سیل کو مائع N2 درجہ حرارت (77 K) پر ٹھنڈا کیا جائے گا۔ نتیجے میں ارتکاز [H]/[Pd] = 0.97 پایا جاتا ہے۔ دوسرا راستہ الیکٹرو کیمیکل بانڈنگ ہے۔ یہ ایک ایسا طریقہ ہے جہاں برقی کیمیائی مرحلے میں H اور ٹھوس مرحلے میں H کے درمیان توازن کے طور پر رد عمل کے ذریعے، ہائی پریشر ماحول کا استعمال کیے بغیر سپر کنڈکٹیویٹی کے لیے اہم ارتکاز کو آسانی سے عبور کیا جا سکتا ہے۔ ہائیڈروجن کو پی ڈی اور پی ڈی-نی مرکب دھاتوں میں ~ 0.95 کے ایچ ارتکاز کے ذریعے شامل کیا جاتا ہے۔ اس کے بعد، اسے 50 سے 150 ایم اے/سی ایم 3 کی موجودہ کثافت کے ساتھ 0.1n-H2SO4 کے برقی تجزیہ میں لوڈ کیا گیا ہے۔ آخر میں، لوڈنگ درجہ حرارت کو ~ 190 K تک کم کرنے کے بعد، x ~ 1 کے H ارتکاز تک پہنچ گیا ہے۔ تیسرا راستہ آئن امپلانٹیشن کے نام سے جانا جاتا ہے۔ H آئنوں کو Pd میں لگانے سے پہلے، Pd ورق کو H کے ساتھ پہلے سے چارج کیا جاتا تھا۔ یہ H2 اعلی درجہ حرارت والی گیس میں کیا جاتا ہے۔ اس سے امپلانٹیشن کا وقت کم ہو جاتا ہے جو اس کے بعد آتا ہے۔ پہنچ گیا ارتکاز تقریبا x ~ 0.7 ہے۔ اس کے بعد ورق کو 77 K کے درجہ حرارت پر ٹھنڈا کیا جاتا ہے تاکہ امپلانٹیشن ہونے سے پہلے H کے نقصان کو روکا جا سکے۔ PdHx میں H کا امپلانٹیشن 4 K کے درجہ حرارت پر ہوتا ہے۔ H آئن H2 +-بیم میں گھس جاتے ہیں۔ اس کے نتیجے میں پی ڈی ورق میں ایچ کی اعلی ارتکاز پرت بنتی ہے۔ کیمیائی ساخت اور خصوصیات پیلڈیم کو بعض اوقات استعاراتی طور پر "دھاتی سپنج" کہا جاتا ہے (زیادہ لفظی دھاتی سپنج کے ساتھ الجھن میں نہ پڑنا) کیونکہ یہ ہائیڈروجن کو "جیسے سپنج پانی کو جذب کرتا ہے" جذب کرتا ہے۔ کمرے کے درجہ حرارت اور ماحولیاتی دباؤ (معیاری ماحول کے درجہ حرارت اور دباؤ) پر، پیلیڈیم ہائیڈروجن کے اپنے حجم سے 900 گنا زیادہ جذب کر سکتا ہے۔ ہائیڈروجن کو دھاتی ہائیڈرائڈ میں جذب کیا جا سکتا ہے اور پھر ہزاروں چکروں کے لیے دوبارہ خارج کیا جا سکتا ہے۔ محققین پیلیڈیم اسٹوریج کی مفید زندگی کو بڑھانے کے طریقے تلاش کرتے ہیں۔ سائز کا اثر ہائیڈروجن کا جذب دو مختلف مراحل پیدا کرتا ہے، ان دونوں میں چہرے پر مرکوز کیوبک (ایف سی سی، راک سالٹ) جالی میں پیلیڈیم دھاتی ایٹم ہوتے ہیں، جو خالص پیلیڈیم دھات کی طرح ہی ساخت ہے۔ PdH0.02 تک کم ارتکاز پر پیلیڈیم جالی 388.9 پی ایم سے 389.5 پی ایم تک قدرے پھیل جاتی ہے۔ اس ارتکاز کے اوپر دوسرا مرحلہ 402.5 پی ایم کے جالی مستقل کے ساتھ ظاہر ہوتا ہے۔ دونوں مراحل اس وقت تک ایک ساتھ رہتے ہیں جب تک کہ الفا مرحلہ غائب ہونے پر PdH0.58 کی تشکیل نہ ہو جائے۔ نیوٹرون ڈفریکشن اسٹڈیز سے پتہ چلتا ہے کہ ہائیڈروجن ایٹم دھات کی جالی میں آکٹاڈرل انٹرسٹیس پر تصادفی طور پر قبضہ کرتے ہیں (ایف سی سی جالی میں فی دھات ایٹم میں ایک آکٹاڈرل سوراخ ہوتا ہے)۔ عام دباؤ پر جذب کی حد PdH0.7 ہے، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ تقریبا 70 فیصد آکٹاڈرل سوراخوں پر قبضہ کر لیا گیا ہے۔ جب x = 1 تک پہنچ جاتا ہے، تو آکٹاڈرل انٹرسٹیس مکمل طور پر قبضے میں ہوتے ہیں۔ ہائیڈروجن کا جذب بدلنے کے قابل ہوتا ہے، اور ہائیڈروجن دھات کی جالی کے ذریعے تیزی سے پھیلتا ہے۔ جیسے جیسے ہائیڈروجن جذب ہوتا ہے دھاتی چالکتا کم ہوتی جاتی ہے، یہاں تک کہ تقریبا PdH0.5 پر ٹھوس سیمی کنڈکٹر بن جاتا ہے۔ بلک ہائیڈرائڈ کی یہ تشکیل اتپریرک پی ڈی کے سائز پر منحصر ہے۔ جب پی ڈی 2.6nm سے چھوٹا ہو جائے گا تو ہائیڈرائڈز اب نہیں بنیں گے۔ بلک میں تحلیل شدہ ہائیڈروجن سطح پر تحلیل شدہ ہائیڈروجن سے مختلف ہے۔ جب پیلیڈیم کے ذرات سائز میں کم ہوتے ہیں تو ان چھوٹے پی ڈی ذرات میں کم ہائیڈروجن گھل جاتا ہے۔ لہذا، چھوٹے ذرات کی سطح پر نسبتا زیادہ ہائیڈروجن جذب ہوتا ہے۔ ذرات پر جذب ہونے والا یہ ہائیڈروجن ہائیڈرائڈ نہیں بناتا۔ لہذا، بڑے ذرات میں ہائیڈرائڈز کی تشکیل کے لیے زیادہ جگہیں دستیاب ہوتی ہیں۔ الیکٹران اور فونون بینڈ پی ڈی ایچ (آکٹ) کے بینڈ ڈھانچے کی سب سے اہم خاصیت یہ ہے کہ بھری ہوئی پی ڈی حالتوں کو ہائیڈروجن کی موجودگی کے ساتھ کم کیا جاتا ہے۔ نیز، پی ڈی ایچ کی سب سے کم توانائی کی سطح، جو کہ بانڈنگ اسٹیٹس ہیں، پی ڈی ایچ سے کم ہوتی ہیں۔ مزید برآں، خالی پی ڈی ریاستیں، جو فرمی توانائی سے نیچے ہیں، بھی ایچ کی موجودگی کے ساتھ کم ہو جاتی ہیں۔ پیلیڈیم ہائیڈروجن کی حالت اور پیلیڈیم کی پی ریاستوں کے درمیان تعامل کی وجہ سے ہائیڈروجن کے ساتھ رہنا پسند کرتا ہے۔ ایک آزاد H ایٹم کی توانایٔی Pd بینڈوں کی غالب p-ریاستوں کی توانایٔی کی حد میں ہوتی ہے۔ لہذا، فرمی توانائی کے تحت یہ خالی حالتیں اور ڈی بینڈ میں سوراخ بھر جاتے ہیں۔ مزید برآں، ہائیڈرائڈ کی تشکیل ڈی بینڈ سے اوپر فرمی کی سطح کو بڑھا دیتی ہے۔ ڈی-بینڈ کے اوپر خالی ریاستیں بھی بھری جاتی ہیں۔ اس کے نتیجے میں بھری ہوئی پی-ریاستیں پیدا ہوتی ہیں اور 'کنارے' کو توانائی کی اعلی سطح پر منتقل کر دیتی ہیں۔ سپر کنڈکٹیویٹی PdHx ایک سپر کنڈکٹر ہے جس کا منتقلی کا درجہ حرارت Tc تقریبا 9 K ہے x = 1 کے لیے۔ (خالص پیلیڈیم سپر کنڈکٹنگ نہیں ہے)۔ مزاحمت بمقابلہ درجہ حرارت کے منحنی خطوط میں بوندیں ہائیڈروجن سے بھرپور (x ~ 1)، غیر اسٹیوچیومیٹرک پیلیڈیم ہائیڈرائڈ میں زیادہ درجہ حرارت (273 K تک) پر مشاہدہ کی گئیں اور اس کی تشریح سپر کنڈکٹنگ ٹرانزیشن کے طور پر کی گئی۔ ان نتائج پر سوال اٹھائے گئے ہیں اور ابھی تک ان کی تصدیق نہیں ہوئی ہے۔ بہت سے دوسرے ہائیڈرائڈ نظاموں کے مقابلے میں پیلڈیم ہائیڈرائڈ کا ایک بڑا فائدہ یہ ہے کہ سپر کنڈکٹنگ بننے کے لیے پیلڈیم ہائیڈرائڈ پر زیادہ دباؤ ڈالنے کی ضرورت نہیں ہے۔ یہ پیمائش کو آسان بناتا ہے اور مختلف قسم کی پیمائش کے لیے زیادہ موقع فراہم کرتا ہے (بہت سے سپر کنڈکٹنگ مواد کو 102 جی پی اے کی ترتیب پر، سپر کنڈکٹ کرنے کے قابل ہونے کے لیے انتہائی دباؤ کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس لیے پیلیڈیم ہائیڈرائڈ کا استعمال اس کردار کو تلاش کرنے کے لیے بھی کیا جا سکتا ہے جو ہائیڈروجن ان ہائیڈرائڈ نظاموں میں سپر کنڈکٹر ہونے کی وجہ سے ادا کرتا ہے۔ حساسیت پیلیڈیم ہائیڈرائڈ کی مقناطیسی خصوصیات میں سے ایک حساسیت ہے۔ H کے ارتکاز کو تبدیل کرتے وقت PdHx کی حساسیت بڑی حد تک مختلف ہوتی ہے۔ یہ PdHx کے β-مرحلے کی وجہ سے ہے۔ پی ڈی ایچ کا α-مرحلہ فرمی سطح کی اسی حد میں واقع ہے جیسا کہ پی ڈی خود ہے، اس لیے α-مرحلہ حساسیت کو متاثر نہیں کرتا ہے۔ تاہم، پی ڈی ایچ ایکس کے β-مرحلے کی خصوصیت ڈی-بینڈ کو بھرنے والے ایس-الیکٹرانوں سے ہوتی ہے۔ لہذا، α-β مرکب کی حساسیت کمرے کے درجہ حرارت پر H کے بڑھتے ہوئے ارتکاز کے ساتھ کم ہو جاتی ہے۔ آخر میں، جب خالص Pd کے گھماؤ کے اتار چڑھاؤ کم ہو جائیں گے، تو سپر کنڈکٹیویٹی واقع ہوگی۔ مخصوص حرارت کی صلاحیت ایک اور دھاتی خاصیت الیکٹرانک حرارت کا گتانک γ ہے۔ یہ گتانک حالتوں کی کثافت پر منحصر ہے۔ خالص Pd کے لیے حرارت کا گتانک 9.5 mJ (mol * K ^ 2) ہے۔ جب H کو خالص Pd میں شامل کیا جاتا ہے تو الیکٹرانک حرارت کا گتانک کم ہو جاتا ہے۔ x = 0.83 سے x = 0.88 کی حد کے لیے γ صرف Pd کے معاملے میں چھ گنا چھوٹا دیکھا جاتا ہے۔ یہ خطہ سپر کنڈکٹنگ خطہ ہے۔ تاہم، زیمرمین اور دیگر نے x = 0.96 کے ارتکاز کے لیے حرارت کے گتانک γ کی بھی پیمائش کی۔ اس ارتکاز پر سپر کنڈکٹنگ منتقلی کی وسعت کا مشاہدہ کیا گیا۔ اس کی ایک وجہ پی ڈی ایچ کے میکروسکوپک ڈھانچے کی غیر ہم آہنگی سے سمجھائی جا سکتی ہے۔ x کی اس قدر پر γ میں بہت زیادہ اتار چڑھاؤ ہوتا ہے اور اس لیے یہ غیر یقینی ہے۔ سپر کنڈکٹیویٹی ہونے کے لیے اہم ارتکاز کا تخمینہ x ~ 0.72 لگایا گیا ہے۔ اہم درجہ حرارت یا سپر کنڈکٹنگ ٹرانزیشن درجہ حرارت کا تخمینہ 9 K لگایا گیا ہے۔ یہ x = 1 کے اسٹوچیومیٹرک ارتکاز پر حاصل کیا گیا تھا۔ مزید برآں، دباؤ اہم درجہ حرارت کو بھی متاثر کرتا ہے۔ یہ دکھایا گیا ہے کہ پی ڈی ایچ ایکس پر دباؤ میں اضافہ ٹی سی کو کم کرتا ہے۔ اس کی وضاحت فونون سپیکٹرم کے سخت ہونے سے کی جا سکتی ہے، جس میں الیکٹران-فونون مستقل λ میں کمی شامل ہے۔ سطح جذب کا عمل ہائیڈروجن کے جذب کے عمل کو اسکیننگ ٹنلنگ مائکروسکوپی کے ذریعے دکھایا گیا ہے جس میں ہائیڈروجن مالیکیول کی علیحدگی کو فروغ دینے کے لیے کرسٹل کی سطح پر کم از کم تین خالی جگہوں کے مجموعے کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس طرح کے رویے کی وجہ اور ٹرائمرز کی مخصوص ساخت کا تجزیہ کیا گیا ہے۔ استعمال ہائیڈروجن کا جذب قابل واپسی ہے اور انتہائی انتخابی ہے۔ صنعتی طور پر، پیلیڈیم پر مبنی ڈفیوزر سیپریٹر استعمال کیا جاتا ہے۔ ناپاک گیس پتلی دیواروں والی سلور-پیلیڈیم مرکب دھات کی ٹیوبوں سے گزرتی ہے کیونکہ پروٹیم اور ڈیوٹیریم مرکب دھات کی جھلی سے آسانی سے پھیل جاتے ہیں۔ جو گیس گزرتی ہے وہ خالص اور استعمال کے لیے تیار ہوتی ہے۔ پیلیڈیم کو چاندی کے ساتھ ملایا جاتا ہے تاکہ اس کی طاقت اور ٹوٹنے کے خلاف مزاحمت کو بہتر بنایا جا سکے۔ اس بات کو یقینی بنانے کے لیے کہ بیٹا مرحلے کی تشکیل سے بچا جائے، جیسا کہ پہلے بیان کردہ جالی کی توسیع جھلی کی مسخ اور تقسیم کا سبب بنے گی، درجہ حرارت 300 ڈگری سیلسیس سے اوپر برقرار رکھا جاتا ہے۔ پیلیڈیم-ہائیڈرائڈ کا ایک اور استعمال خالص پیلیڈیم کے حوالے سے H2-مالیکیولز کے جذب میں اضافہ ہے۔ 2009 میں ایک مطالعہ کیا گیا جس نے اس حقیقت کی جانچ کی۔ 1 بار کے دباؤ پر، ہائیڈروجن مالیکیولز کے پیلیڈیم کی سطح پر چپکنے کے امکانات بمقابلہ پیلیڈیم ہائیڈرائڈ کی سطح پر چپکنے کے امکانات کو ماپا گیا۔ پیلڈیم کے چپکنے کا امکان ایسے درجہ حرارت پر زیادہ پایا گیا جہاں استعمال شدہ پیلڈیم اور ہائیڈروجن کے مرکب کا مرحلہ خالص β-فیز تھا، جو اس تناظر میں پیلڈیم ہائیڈرائڈ سے مطابقت رکھتا ہے (1 بار پر اس کا مطلب ہے کہ درجہ حرارت تقریبا 160 ڈگری سیلسیس سے زیادہ ہے)، اس درجہ حرارت کے برخلاف جہاں β-اور α-فیز ایک ساتھ موجود ہیں اور یہاں تک کہ کم درجہ حرارت جہاں خالص α-فیز ہے (یہاں α-فیز پیلڈیم میں ہائیڈروجن ایٹموں کے ٹھوس حل سے مطابقت رکھتا ہے)۔ ان چپکنے والے امکانات کو جاننا کسی کو اس مساوات کی وجہ سے جذب کی شرح کا حساب لگانے کے قابل بناتا ہے جہاں مذکورہ بالا چپکنے کا امکان ہے اور پیلیڈیم/پیلیڈیم ہائیڈرائڈ کی سطح کی طرف ہائیڈروجن مالیکیولز کا بہاؤ ہے۔ جب نظام مستحکم حالت میں ہوتا ہے، تو ہمارے پاس ایڈسورپشن کی شرح اور اس کے برعکس، ڈسورپشن کی شرح () برابر ہونی چاہیے۔ یہ دیتا ہے کہ خارج ہونے کی شرح کو بولٹزمینین تقسیم کے ذریعہ دیا جاتا ہے، یعنی۔ (*) جہاں کوئی نامعلوم مستقل ہے، بے جذب توانائی ہے، بولٹزمین کا مستقل ہے اور درجہ حرارت ہے۔ تعلق (*) کی قدر تلاش کرنے کے لیے فٹ کیا جا سکتا ہے۔ یہ پایا گیا کہ، ان کے تجربے کی غیر یقینی صورتحال کے اندر، پیلیڈیم اور پیلیڈیم ہائیڈرائڈ کی اقدار بالترتیب تقریبا برابر تھیں۔ اس طرح پیلیڈیم-ہائیڈرائڈ میں پیلیڈیم کے مقابلے میں جذب کی اوسط شرح زیادہ ہوتی ہے، جبکہ جذب کے لیے درکار توانائی یکساں ہوتی ہے۔ اس حقیقت کی وضاحت تلاش کرنے کے لیے ڈینسٹی فنکشنل تھیوری کی گئی۔ یہ پایا گیا کہ پیلیڈیم-ہائیڈرائڈ کی سطح کے ساتھ ہائیڈروجن کا بندھن پیلیڈیم کی سطح کے ساتھ بند سے کمزور ہے اور یہ کہ ڈیسرپشن ایکٹیویشن رکاوٹ پیلیڈیم-ہائیڈرائڈ کے مقابلے میں پیلیڈیم-ہائیڈرائڈ کے لیے تھوڑی مقدار میں کم ہے، حالانکہ جذب کی رکاوٹیں شدت میں موازنہ ہیں۔ مزید برآں، پیلیڈیم-ہائیڈرائڈ کے لیے جذب کی حرارت پیلیڈیم کے مقابلے میں کم ہوتی ہے، جس کی وجہ سے H کی سطح کا توازن کم ہوتا ہے۔ اس کا مطلب ہے کہ پیلیڈیم-ہائیڈرائڈ کی سطح کم سنترپت ہوگی، جس سے چپکنے کا زیادہ موقع ملتا ہے، یعنی۔ چپکنے کا زیادہ امکان۔ پیلیڈیم کا بدلنے والا جذب ہائیڈروجن کو ذخیرہ کرنے کا ایک ذریعہ ہے، اور مندرجہ بالا نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ پیلیڈیم کی ہائیڈروجن جذب شدہ حالت میں بھی ہائیڈروجن کے ذخیرہ کرنے کا مزید موقع موجود ہے۔ یہ بھی دیکھیں ہائیڈروجن سینسر حوالہ جات بیرونی روابط پیلیڈیم مرکبات دھاتی ہائیڈرائڈز