Electrical Performance of Cement Nanofiller Composites for Low-Grade Thermoelectric Energy Harvesting
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि गीली कास्टिंग विधि के माध्यम से सीमेंट में सुपर-ग्रेड ग्राफीन, मल्टी-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब और कार्बन सोंट नैनोकणों को शामिल करने से कंडक्टिव नेटवर्क फॉर्मेशन, परकोलेशन और चार्ज ट्रांसपोर्ट तंत्र के माध्यम से विद्युत चालकता में महत्वपूर्ण वृद्धि होती है, जिससे अपशिष्ट ऊष्मा से निम्न-श्रेणी की थर्मोइलेक्ट्रिक ऊर्जा संचयन के लिए इस सामग्री की क्षमता सक्षम होती है।
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शहर अक्सर अपने आस-पास के ग्रामीण इलाकों की तुलना में अधिक गर्म होते हैं, यह एक घटना है जिसे 'अर्बन हीट आइलैंड इफेक्ट' (शहरी ऊष्मा द्वीप प्रभाव) के रूप में जाना जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि कंक्रीट, डामर और इमारतें सूर्य के प्रकाश को अवशोषित करती हैं और गर्मी को रोक लेती हैं, जिसे वे सूरज ढलने के बाद भी धीरे-धीरे छोड़ती हैं। हालांकि इस फंसी हुई गर्मी को अक्सर एयर कंडीशनिंग के लिए ऊर्जा लागत बढ़ाने वाले एक व्यवधान के रूप में देखा जाता है, लेकिन यह कम-ग्रेड की ऊर्जा का एक विशाल, अनछुआ भंडार भी है। कल्पना कीजिए कि एक फुटपाथ या एक इमारत की दीवार ऐसी हो जो न केवल इस गर्मी को संचित कर सके, बल्कि इसे बिजली में भी बदल सके। यह थर्मोइलेक्ट्रिक तकनीक का वादा है, एक ऐसी विधि जो केवल किसी सामग्री के दो पक्षों के बीच तापमान के अंतर का लाभ उठाकर बिजली उत्पन्न करती है। बड़े पैमाने पर इसके काम करने के लिए, सामग्री को स्वयं बिजली का अच्छा संचालन करने में सक्षम होना चाहिए, एक ऐसा गुण जो साधारण कंक्रीट में नहीं होता।
शोधकर्ता लंबे समय से जानते हैं कि सीमेंट में कार्बन-आधारित सामग्रियों को मिलाने से वह सुचालक बन सकता है, लेकिन लागत, उपलब्धता और प्रदर्शन के बीच सही संतुलन बनाना एक चुनौती बनी हुई है। भारत में वैज्ञानिकों की एक टीम ने हाल ही में कार्बन के एक साधारण, अक्सर उपेक्षित स्रोत: मोमबत्ती की कालिख (कैंडल सूट) का परीक्षण करने का निर्णय लिया। वे देखना चाहते थे कि क्या इस घरेलू कचरे को सीमेंट के लिए एक उच्च-प्रदर्शन वाले एडिटिव में बदला जा सकता है, जो ग्राफीन और कार्बन नैनोट्यूब जैसी महंगी, व्यावसायिक रूप से इंजीनियर की गई सामग्रियों का मुकाबला कर सके। उनका लक्ष्य एक ऐसा सीमेंट कंपोजिट बनाना था जो शहरी सतहों से अपशिष्ट ऊष्मा को एकत्र कर सके और उसे उपयोगी बिजली में बदल सके, जिससे संभावित रूप से हमारी सड़कें और इमारतें शांत बिजली जनरेटर बन सकें।
शोधकर्ताओं ने मोमबत्ती जलने पर बनने वाली काली कालिख को इकट्ठा करके शुरुआत की। उन्होंने इसे केवल किसी प्लेट से खुरच कर नहीं निकाला; बल्कि उन्होंने इसे साफ करने और परिष्कृत करने की एक सावधानीपूर्वक प्रक्रिया विकसित की। कालिख को अल्कोहल से धोकर और बारीक कणों को अलग करने के लिए इसे उच्च गति पर घुमाकर, उन्होंने कार्बन नैनोपार्टिकल्स का एक शुद्ध रूप तैयार किया। फिर उन्होंने इस कालिख-व्युत्पन्न सामग्री को सीमेंट पेस्ट में, दो अन्य प्रकार के कार्बन फिलर्स के साथ मिलाया: सुपर-ग्रेड ग्राफीन, जिसमें कार्बन परमाणुओं की एकल परतें होती हैं, और मल्टी-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब, जो कार्बन के छोटे, खोखले सिलेंडर होते हैं। उन्होंने प्रत्येक फिलर की विभिन्न मात्राओं के साथ नमूने तैयार किए, और तुलना निष्पक्ष रहे इसके लिए पानी और सीमेंट की मात्रा को स्थिर रखा।
एक बार जब नमूनों को ढाला और सुखा लिया गया, तो टीम ने यह समझने के लिए कि अलग-अलग सामग्रियां सीमेंट के भीतर कैसे व्यवहार करती हैं, उनका बारीकी से परीक्षण किया। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि मोमबत्ती की कालिख के कण गोलाकार थे और सूक्ष्म दोषों से भरे हुए थे, जो उन्हें एक खुरदरी बनावट प्रदान करते थे। सीमेंट में मिलने पर, इन कणों ने कठोर सामग्री के भीतर के छोटे अंतराल और छिद्रों को भर दिया, जिससे एक सघन संरचना बनी। चित्रों ने दिखाया कि कालिख के कण समान रूप से वितरित होकर एक नेटवर्क बना रहे थे, जो सीमेंट के प्राकृतिक बाइंडिंग जेल के साथ जुड़ गया। यह एक महत्वपूर्ण खोज थी, क्योंकि बिजली के प्रवाह के लिए एक निरंतर नेटवर्क की आवश्यकता होती है।
टीम ने विभिन्न तापमानों पर प्रत्येक नमूने के विद्युत चालकता को मापा। उन्होंने पाया कि फिलर की मात्रा डालने से महत्वपूर्ण अंतर पड़ता है। उन नमूनों के लिए जिनमें महंगा ग्राफीन था, विद्युत चालकता 0.07 S/cm तक पहुँच गई जब फिलर सीमेंट के वजन का दो प्रतिशत था (60°C पर)। कार्बन नैनोट्यूब वाले नमूनों को 0.25 S/cm की चालकता तक पहुँचने के लिए पंद्रह प्रतिशत की बहुत अधिक खुराक की आवश्यकता थी (60°C पर)। हालांकि, मोमबत्ती की कालिख के नैनोपार्टिकल्स से बने नमूनों ने एक अलग कहानी दिखाई। पाँच प्रतिशत की खुराक पर, कालिख-आधारित कंपोजिट ने 85°C पर 0.03 S/cm की चालकता प्रदर्शित की। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि सभी सामग्रियों की चालकता तापमान बढ़ने के साथ बेहतर हुई, जो गर्म फुटपाथों से ऊष्मा एकत्र करने के लिए बिल्कुल आवश्यक है।
अध्ययन से पता चला कि इस चालकता के पीछे का तंत्र कणों के बीच के सूक्ष्म अंतराल में इलेक्ट्रॉनों के कूदने या उनके माध्यम से टनलिंग करने की प्रक्रिया है, जो तब आसान हो जाता है जब कण पास-पास पैक होते हैं। मोमबत्ती की कालिख, दहन के एक साधारण उपोत्पाद होने के बावजूद, एक कार्यात्मक घटक बनाने के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार साबित हुई। हालांकि यह कच्चे चालकता के मामले में उच्च-स्तरीय नैनोट्यूब से बेहतर प्रदर्शन नहीं कर सकी, लेकिन इसकी क्षमता इसकी सुलभता और इस तथ्य में निहित है कि यह एक अपशिष्ट उत्पाद है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एक सामान्य घरेलू प्रदूषक को स्मार्ट इंफ्रास्ट्रक्चर के लिए एक कार्यात्मक घटक में बदलना संभव है।
अंततः, यह कार्य सुझाव देता है कि सीमेंट कंपोजिट को कम-ग्रेड थर्मल ऊर्जा एकत्र करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है, बशर्ते सही चालक नेटवर्क स्थापित किया जाए। मोमबत्ती की कालिख के नैनोपार्टिकल्स ने एक अनूठा, कम लागत वाला विकल्प प्रदान किया जिसने सफलतापूर्वक सीमेंट मैट्रिक्स में एक सघन सूक्ष्म संरचना बनाई और विद्युत प्रवाह को सक्षम बनाया। हालांकि यह तकनीक अभी प्रयोगात्मक चरण में है और दक्षता तथा बड़े पैमाने पर कार्यान्वयन के संबंध में चुनौतियों का सामना कर रही है, अध्ययन एक स्पष्ट 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' प्रदान करता है। यह दिखाता है कि हमारे शहरों के आसपास की सामग्रियां, हमारे पैरों के नीचे के कंक्रीट से लेकर हमारे द्वारा उत्पन्न कचरे तक, एक दिन सूर्य की गर्मी को बिजली में बदलने वाली प्रणाली का हिस्सा बन सकती हैं।
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