جب الیکٹروڈ کسی بیرونی طاقت کے منبع سے جڑے ہوتے ہیں، تو وہ ایک برقی سرکٹ بناتے ہیں۔ الیکٹرولیٹک سیل ڈیوائس میں انوڈ الیکٹروڈ بیرونی پاور سپلائی کے مثبت الیکٹروڈ سے منسلک ہوتا ہے، اور کیتھوڈ الیکٹروڈ بیرونی پاور سپلائی کے منفی الیکٹروڈ سے منسلک ہوتا ہے۔ مثال کے طور پر، ہائیڈروجن اور آکسیجن پیدا کرنے کے لیے پانی کے برقی تجزیہ کے دوران، الیکٹران کے بہاؤ کی سمت بیرونی بجلی کی فراہمی کے منفی الیکٹروڈ سے، الیکٹرولائٹک سیل کے کیتھوڈ تک، الیکٹرولیٹک سیل کے انوڈ کی طرف، اور پھر مثبت کی طرف ہوتی ہے۔ بیرونی بجلی کی فراہمی کا الیکٹروڈ، جبکہ کرنٹ کا بہاؤ اس کے بالکل برعکس ہے (الیکٹران پر منفی چارج ہوتا ہے)۔ لہذا، H+ میں کمی کا رد عمل (یعنی HER عمل) الیکٹرولائیٹک سیل کے کیتھوڈ مواد پر H2 پیدا کرنے کے لیے ہوتا ہے، اور آکسیڈیشن رد عمل (یعنی OER) جو الیکٹرولائزڈ پانی میں ہائیڈروجن اور آکسیجن پیدا کرتا ہے، انوڈ مواد پر ہوتا ہے۔ O2 پیدا کرنے کے لیے الیکٹرولیٹک سیل کا۔ پورے الیکٹرولائٹک سیل کی کام کرنے کی کارکردگی کو یقینی بنانے کے لیے، الیکٹرولائٹک سیل کے الیکٹروڈ میٹریل میں درج ذیل تقاضے ہوتے ہیں: اس میں الیکٹران ٹرانسمیشن چالکتا اچھی ہے اور اس سے متعلقہ آکسیڈیشن-ریڈکشن ری ایکشن کو متحرک کر سکتا ہے۔
HER ایک ایسا رد عمل ہے جو کیتھوڈ پر الیکٹروکیٹلیٹک پانی کی تقسیم کے دوران عمل کرتا ہے۔ Tafel نے اسے 1905 میں دریافت کیا۔ تیزابی درمیانے درجے میں دھات کی سطح پر ہائیڈروجن ارتقاء کا رد عمل درج ذیل ہے:
الکلائن یا غیر جانبدار میڈیا میں:
مندرجہ بالا ردعمل میں، ایم الیکٹروڈ کا دھاتی مواد ہے، اور پانی کے الیکٹرولیسز میں ہائیڈروجن اور آکسیجن کی پیداوار کا عمل دھاتی ایم کے ذریعے جذب شدہ ہائیڈروجن ہے۔ والمر رد عمل کو ہائیڈروجن جذب قدم کہا جاتا ہے، ہیرووسکی ردعمل کہا جاتا ہے۔ الیکٹرو کیمیکل ڈیسورپشن مرحلہ، اور ٹفیل رد عمل کو کیمیکل ڈیسورپشن مرحلہ کہا جاتا ہے (جذب سے الیکٹرو کیمیکل ڈیسورپشن سے کیمیائی ڈیسورپشن عمل تک)۔ ہائیڈروجن ایوولوشن ری ایکشن ایک عام انٹرمیڈیٹ پراڈکٹ ہے جس میں دوہری الیکٹران ٹرانسفر ری ایکشن کیٹیلائزڈ ہے۔ بیرونی صلاحیت کی ڈرائیونگ کی وجہ سے، الیکٹروڈ پانی کو الیکٹرولائز کرنے کے لیے الیکٹرولائٹ سے فعال ہائیڈروجن اور آکسیجن کی پیداوار حاصل کرتا ہے۔ جذب شدہ ایٹم پھر ہائیڈروجن پیدا کرنے کے لیے ڈیسورپشن کے عمل کے ذریعے یکجا ہو جاتے ہیں۔ پچھلی مساوات کے تجزیے کے ذریعے، یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ مختلف الیکٹرولائٹک میڈیا میں ہونے والے ردعمل کے طریقہ کار اور راستے مختلف ہیں۔ کسی بھی صورت میں، HER کا ارتقا تین بنیادی مراحل سے گزرا ہے:
a) والمر ردعمل: یہ عمل الیکٹران کی منتقلی کا عمل ہے، جسے الیکٹرو کیمیکل عمل بھی کہا جاتا ہے۔ عام طور پر، ایک تیزابی الیکٹرولائٹ میں، H+ الیکٹرولائیٹک پانی میں ہائیڈروجن اور آکسیجن پیدا کرنے کے لیے ایک الیکٹران حاصل کرتا ہے۔ الکلائن الیکٹرولائٹس میں، H2O الیکٹران بن سکتا ہے۔ پانی کے الیکٹرولیسس میں ہائیڈروجن اور آکسیجن کی پیداواری عمل اور پانی کے الیکٹرولائسز میں ہائیڈروجن اور آکسیجن کی پیداوار کے عمل کو تیزابی الیکٹرولائٹس میں دیکھنا آسان ہے۔ وولمر ردعمل کو پانی کے مالیکیولز کی مزاحمت پر قابو پانے کی ضرورت نہیں ہے۔ توانائی کی رکاوٹ کو توڑ دیں۔ لہذا، HER کا عمل الکلائن الیکٹرولائٹس کے مقابلے تیزابی حالات میں زیادہ آسانی سے ہوتا ہے۔
(b) Heyrovsky: اسے الیکٹرو کیمیکل ڈیسورپشن عمل کہا جاتا ہے۔ یہ ایک ایسا عمل ہے جس میں پانی میں ہائیڈروجن اور آکسیجن کے برقی تجزیہ سے پیدا ہونے والا پروٹون اور الیکٹرولائٹ میں H+ یا H2O کے برقی تجزیہ سے H2 مالیکیول بنانے کے لیے ایک الیکٹران حاصل ہوتا ہے، اور پھر اس کے اخراج اور ورن سے گزرتا ہے۔
(c) Tafel Reaction: اسے کمپوزٹ ڈیسورپشن عمل کہا جاتا ہے، جسے سادہ طور پر الکلین اور تیزابی الیکٹرولائٹس میں پانی کے الیکٹرولیسس سے H2 میں ہائیڈروجن اور آکسیجن کی تبدیلی کے طور پر بیان کیا جاتا ہے۔
HER کے ایک مکمل عمل میں ایک الیکٹرو کیمیکل عمل اور ایک قدمی ڈیسورپشن کا عمل شامل ہوتا ہے، لہذا HER کے الیکٹروکیٹالیسس کو عام طور پر Volmer-Heyrovsky یا Volmer-Tafel میکانزم کے طور پر بیان کیا جاتا ہے۔ رد عمل کے یہ تین مراحل HER کے رد عمل کا فیصلہ کن عمل ہو سکتے ہیں، اور رد عمل کا متحرک عمل عام طور پر HER پولرائزیشن وکر کے Tafel slop سے طے ہوتا ہے۔
سست خارج ہونے والا نظریہ اس مشاہدے پر مبنی ہے کہ الیکٹرو کیمیکل ری ایکشن سٹیپ (وولمر ری ایکشن) فیصلہ کن مرحلہ ہے۔ الیکٹرو کیمیکل ڈیسورپشن کا نظریہ اس مشاہدے پر مبنی ہے کہ الیکٹرو کیمیکل ڈیسورپشن مرحلہ (ہیرووسکی ردعمل) فیصلہ کن مرحلہ ہے۔ مکسنگ تھیوری کے مطابق، فیصلہ کن مرحلہ پیچیدہ ڈیسورپشن مرحلہ (ہیرووسکی-ٹافیل ردعمل) ہے۔
مزید تجزیے سے پتہ چلتا ہے کہ ہائیڈروجن ارتقاء کے رد عمل میں، رد عمل کے ذرات سب سے پہلے عمل انگیز کی سطح پر ایک خاص قوت کے ذریعے جذب ہوتے ہیں تاکہ رد عمل کے درمیانی عمل (M-الیکٹرولائزڈ پانی میں ہائیڈروجن اور آکسیجن کی پیداوار کا عمل)، اور پھر M-The الیکٹرولائزڈ پانی میں ہائیڈروجن اور آکسیجن کی پیداوار کا عمل۔ H2 پیدا کرنے کے لیے بانڈ ٹوٹ گیا ہے۔ لہذا، ہائیڈروجن جذب ΔGH کی آزاد توانائی ہائیڈروجن ارتقاء کے رد عمل کی مجموعی شرح کے لیے فیصلہ کن ہے۔ ظاہر ہے، الیکٹروڈ کی جذب کرنے کی صلاحیت کا تعلق براہ راست اتپریرک کے کردار سے ہے۔ کمزور جذب کی صورت میں، وولمر کے رد عمل کو روکا جاتا ہے، اس لیے شرح کو کنٹرول کرنے والا مرحلہ خود وولمر ہے۔ جب اتپریرک کا مضبوط عمل M-الیکٹرولائٹک پانی کے ہائیڈروجن اور آکسیجن پیدا کرنے کے عمل کے بندھن کو توڑ کر H2 بناتا ہے، تو رد عمل کا ڈیسورپشن عمل (Heyrovsky-Tafel) فیصلہ کن عمل بن جائے گا۔ لہذا، ایک ہائیڈروجن ارتقائی عمل انگیز کے لیے، عام طور پر یہ سمجھا جاتا ہے کہ اتپریرک سطح ΔGH≈0 پر ہائیڈروجن جذب کی آزاد توانائی بہترین ہے۔
اتپریرک سرگرمی چلانے والا ایک اور اہم عنصر موجودہ کثافت ہے۔ درحقیقت، HER ایکسچینج کرنٹ ڈینسٹی اور جذب شدہ ہائیڈروجن کی آزاد توانائی کے درمیان تعلق ذیل میں دکھایا گیا ہے:
اتپریرک سے پاک توانائی کے ساتھ موجودہ کثافت کا تغیر
یہ اعداد و شمار مختلف دھاتوں کی اتپریرک سرگرمی کو بیان کرتا ہے، جسے Sabatier اصول کہا جاتا ہے، جس کا استعمال اتپریرک کی اتپریرک خصوصیات کو مقداری طور پر بیان کرنے کے لیے کیا جا سکتا ہے اور یہ HER کیٹالسٹ ڈیزائن اور اسکریننگ کے لیے ایک اہم ٹول ہے۔
OER ایک ایسا عمل ہے جو بہت سے پیرامیٹرز پر منحصر ہے، جیسے کہ مواد کی ساخت، کرسٹل کی ساخت، سطح کی خصوصیات اور شکل۔ عام طور پر یہ خیال کیا جاتا ہے کہ رد عمل کا طریقہ کار چار الیکٹران کی منتقلی کا عمل ہے، جس میں O2 پیدا کرنے کے لیے آکسیڈیشن-کمی کے رد عمل کے چار مراحل کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس وجہ سے، OER اس کی نسبت سست ہے۔ لہذا، یہ محدود عنصر ہے جو الیکٹرولیسس یونٹ کی مجموعی کارکردگی کا تعین کرتا ہے۔ درحقیقت، واٹر الیکٹرولیسس کی پوری نشوونما کے لیے، انوڈ کو کیتھوڈ کے مقابلے میں زیادہ اوور پوٹینشل کی ضرورت ہوتی ہے۔
چار الیکٹران کے رویے پر غور کرتے ہوئے، OER اس سے زیادہ پیچیدہ ہے۔ الیکٹرولائسز سیلز (اسٹیک) میں استعمال ہونے والے مختلف کاتالسٹس کے OER میکانزم بھی مختلف ہیں۔ تیزابی میڈیا میں اہم تسلیم شدہ آکسیجن ارتقاء کے رد عمل یہ ہیں:
M اتپریرک طور پر ایکٹو سائٹ ہے، اور پہلی دو مساواتیں اور آخری مساوات اور پہلی دو مساواتیں اور آخری دو مساواتیں آکسیجن کی بارش کے متوازی ہیں۔ تیزابی ذرائع ابلاغ میں، نوبل دھاتیں اتپریرک کے طور پر استعمال ہوتی ہیں (Ir، Ru اور ان کے آکسائیڈز)، جب کہ دیگر دھاتیں تیزی سے سنکنرن کے عمل کی وجہ سے اتپریرک کے طور پر موزوں نہیں ہیں۔ الکلائن یا غیر جانبدار میڈیا میں، ردعمل مندرجہ ذیل طور پر تیار ہوتا ہے:
تیزابی میڈیا سے بنیادی فرق ہائیڈرو آکسائیڈ آئنوں کا جذب ہے۔ اتپریرک کی سطح پر بننے والے ہائیڈروکسیل گروپس adsorbate آکسیجن anions بناتے ہیں، جو مزید OH- کے ڈیپروٹونیشن کے تحت آکسیجن ایٹم بنانے کے لیے خارج ہوتے ہیں۔ مزید برآں، آخری دو مساواتیں بتاتی ہیں کہ M-OH بانڈ OH-بانڈ کے ساتھ ٹوٹ کر پیرو آکسائیڈ بناتا ہے، جو پھر آکسیجن پیدا کرنے کے لیے گل جاتا ہے۔ مندرجہ بالا ردعمل میں چارج کی منتقلی کا مرحلہ فیصلہ کن رفتار قدم ہے، لیکن مختلف مواد اور مختلف ردعمل کی حالتوں کے لئے، فیصلہ کن رفتار قدم مختلف ہے، جو ٹفیل ڈھلوان کے سائز کے مطابق شناخت کیا جا سکتا ہے. سائنس دانوں نے قیمتی دھاتی مواد، جیسے ٹرانزیشن میٹل آکسائیڈز، پیرووسکائٹ میٹریلز، کاربن پر مبنی غیر دھاتی مواد وغیرہ کو تبدیل کرنے کے لیے متعدد موثر اور مستحکم OER الیکٹرو کیٹیلسٹ تیار کیے ہیں۔ پیچیدہ اور قابل کنٹرول الیکٹرانک ڈھانچہ۔