Asymmetric Surface Charge Engineering of MXene Electrodes for Self-Discharge Suppression in Supercapacitors

ऊर्जा भंडारण की दुनिया में, कुछ उपकरण गति के लिए बनाए जाते हैं, जबकि कुछ सहनशक्ति के लिए। बैटरियां मैराथन धावकों की तरह होती हैं, जो कार या फोन को चलाने के लिए घंटों या दिनों तक चार्ज बनाए रखती हैं। दूसरी ओर सुपरकैपेसिटर (supercapacitors) हैं, जो ऊर्जा की दुनिया के स्प्रिंटर यानी धावक हैं। वे सेकंडों में चार्ज और डिस्चार्ज हो सकते हैं, जो उन्हें उन अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है जिनमें अचानक शक्ति के विस्फोट की आवश्यकता होती है, जैसे कि इलेक्ट्रिक वाहनों में पुनर्योजी ब्रेकिंग (regenerative braking) या बिजली के उछाल के दौरान विद्युत ग्रिड को स्थिर करना। हालांकि, सुपरकैपेसिटर में एक निरंतर दोष है जो उन्हें कई रोजमर्रा के उपयोगों में बैटरी का स्थान लेने से रोकता है: वे खाली बैठे रहने पर अपना चार्ज बहुत जल्दी खो देते हैं। भले ही उन्हें बंद कर दिया जाए और डिस्कनेक्ट कर दिया जाए, उनके भीतर की ऊर्जा धीरे-धीरे निकल जाती है, जिसे 'सेल्फ-डिस्चार्ज' (self-discharge) नामक घटना कहा जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि आयन—वे छोटे आवेशित कण जो ऊर्जा को संग्रहीत करते हैं—स्वाभाविक रूप से एक संतुलित अवस्था की ओर वापस लौट जाते हैं, जिससे वोल्टेज कम हो जाता है और संचित शक्ति बर्बाद हो जाती है। एक ऐसे उपकरण के लिए जिसे कार्रवाई के लिए तैयार रहना है, यह तीव्र क्षय एक बड़ी बाधा है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस रिसाव को धीमा करने का एक तरीका खोज लिया है, और वह भी उस सतह की प्रकृति को बदलकर जहाँ ऊर्जा संग्रहीत होती है। 'MXene' नामक एक सामग्री के साथ काम करते हुए, जो कि एक प्रकार का द्वि-आयामी धातु कार्बाइड है जो सूक्ष्म परतों के ढेर जैसा दिखता है, वैज्ञानिकों ने महसूस किया कि इन परतों की सतह पर विद्युत आवेश इस बात में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है कि उपकरण कितनी अच्छी तरह से अपना चार्ज बनाए रखता है। एक मानक सुपरकैपेसिटर में, इलेक्ट्रोड आमतौर पर समान सतही गुणों वाले होते हैं, जिससे बिजली कट जाने के बाद आयन आसानी से भटक सकते हैं। शोधकर्ताओं ने इस समरूपता (symmetry) को तोड़ने का निर्णय लिया। उन्होंने MXene परतों को रासायनिक रूप से संशोधित किया ताकि एक इलेक्ट्रोड पर मजबूत धनात्मक (positive) आवेश हो और दूसरे पर मजबूत ऋणात्मक (negative) आवेश हो। इन विपरीत आवेशित सतहों को जोड़कर, उन्होंने एक अंतर्निहित विद्युत क्षेत्र बनाया जो एक कोमल लेकिन दृढ़ हाथ की तरह कार्य करता है, जो आयनों को अपनी जगह पर थामे रखता है और उपकरण के उपयोग में न होने पर उन्हें दूर जाने से रोकता है।

यह प्रक्रिया इन विशिष्ट इलेक्ट्रोडों के निर्माण के साथ शुरू हुई। टीम ने एक कच्चे माल से शुरुआत की जिसे 'MAX फेज' के रूप में जाना जाता है, जिसमें टाइटेनियम, एल्युमीनियम और कार्बन की परतें होती हैं। इस सामग्री को एसिड और नमक के मिश्रण के साथ उपचारित करके, उन्होंने एल्युमीनियम की परतों को हटा दिया, जिससे MXene की पतली, लचीली परतें पीछे रह गईं। स्वाभाविक रूप से, इन परतों पर हल्का ऋणात्मक आवेश होता है। धनात्मक इलेक्ट्रोड बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने परतों की सतह पर नाइट्रोजन और सिलिकॉन युक्त एक विशिष्ट रासायनिक समूह को जोड़ा। इस समूह ने प्रोटॉन को पकड़ा, जिससे सतह का आवेश बदलकर धनात्मक हो गया। ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के लिए, उन्होंने एक अलग रासायनिक एजेंट का उपयोग किया जिसने सतह पर अधिक ऋणात्मक समूहों को जोड़ा, जिससे यह धनात्मक आयनों के लिए और भी अधिक आकर्षक बन गया। जब इन दो संशोधित इलेक्ट्रोडों को एक उपकरण में असेंबल किया गया, तो उन्होंने एक अनूठी साझेदारी बनाई: धनात्मक इलेक्ट्रोड ने ऋणात्मक आयनों को आकर्षित किया और थामे रखा, जबकि ऋणात्मक इलेक्ट्रोड ने धनात्मक आयनों के साथ वैसा ही किया।

इस इंजीनियरिंग के परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब शोधकर्ताओं ने उपकरण को चार्ज किया और फिर उसे खाली छोड़ दिया, तो असमान आवेशों वाले इस संस्करण ने समान इलेक्ट्रोडों से बने उपकरणों की तुलना में लगभग चार गुना अधिक समय तक अपना वोल्टेज बनाए रखा। जहाँ एक मानक उपकरण लगभग 2,000 सेकंड में अपने आधे वोल्टेज तक गिर सकता है, वहीं नए डिजाइन ने इस स्तर को 8,000 सेकंड से अधिक समय तक बनाए रखा। इसके अलावा, उपकरण से लीक होने वाली करंट की मात्रा आठ गुना कम हो गई। शोधकर्ताओं ने परमाणु स्तर पर यह देखने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया कि इस खाली समय के दौरान क्या हो रहा है। उन्होंने देखा कि आयन केवल स्वतंत्र रूप से तैर नहीं रहे थे; उन्हें आवेशित सतहों के इलेक्ट्रोस्टैटिक खिंचाव द्वारा अपनी जगह पर कैद किया जा रहा था। धनात्मक सतह ने ऋणात्मक आयनों को कसकर पकड़ा, और ऋणात्मक सतह ने धनात्मक आयनों को पकड़ा, जिससे एक ऐसी बाधा उत्पन्न हुई जिसे आयन आसानी से पार नहीं कर सके। इस बंधन का अर्थ था कि ऊर्जा आसपास के तरल पदार्थ में नष्ट होने के बजाय संग्रहीत बनी रही।

महत्वपूर्ण रूप से, अध्ययन ने दिखाया कि यह सुधार प्रदर्शन की कीमत पर नहीं आया। उपकरण अभी भी पहले की तरह ही तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज हो सकता था, और इसमें बड़ी मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत करने की अपनी क्षमता बरकरार थी। शोधकर्ताओं ने हजारों बार उपकरण का परीक्षण किया, और इसने घिसावट के कोई संकेत नहीं दिखाए, 10,000 चार्ज चक्रों के बाद भी अपनी क्षमता बनाए रखी। उन्होंने उपकरण को बार-बार मोड़ा भी, और यह लचीला और कार्यात्मक बना रहा, जिससे सिद्ध हुआ कि यह नया डिजाइन वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त मजबूत है। टीम ने यह भी पता लगाया कि यदि इलेक्ट्रोडों को गलत क्रम में जोड़ा जाए तो क्या होगा। जब ध्रुवीयता (polarity) को उलट दिया गया, तो सुरक्षात्मक प्रभाव समाप्त हो गया, और उपकरण एक मानक उपकरण की तरह व्यवहार करने लगा, जिससे चार्ज तेजी से लीक होने लगा। इसने पुष्टि की कि स्व-डिस्चार्ज का दमन केवल सामग्रियों का कोई सुदैव भाग्य नहीं था, बल्कि विद्युत क्षेत्रों और आयनों के विशिष्ट संरेखण का सीधा परिणाम था।

यह कार्य सुझाव देता है कि बेहतर ऊर्जा भंडारण की कुंजी न केवल नई सामग्रियां खोजने में है, बल्कि इस बात में भी है कि हम हमारे पास मौजूद सतहों पर आवेशों को कैसे व्यवस्थित करते हैं। प्रत्येक इलेक्ट्रोड के विद्युत व्यक्तित्व को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, वैज्ञानिक एक ऐसी प्रणाली बना सकते हैं जो ऊर्जा को उस क्षण के लिए तैयार रखती है जब उसकी आवश्यकता होती है। ये निष्कर्ष ऐसे सुपरकैपेसिटर डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं जो बिना अपनी शक्ति खोए दिनों या हफ्तों तक शेल्फ पर रखे रह सकते हैं, जो स्मार्ट ग्रिड से लेकर पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स (wearable electronics) तक नई संभावनाओं के द्वार खोल सकते हैं। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच के इंटरफेस पर अदृश्य बलों को समझकर और नियंत्रित करके, हम ऊर्जा भंडारण के क्षेत्र की सबसे पुरानी समस्याओं में से एक को हल कर सकते हैं।