NaCl-Assisted Synthesis of Co/CoS2 Heterostructures Encapsulated within N, S Co-doped Carbon Nanotubes as Electrocatalysts for Anion Exchange Membrane Fuel Cells and Rechargeable Liquid-State/flexible Zn-air Batteries
यह अध्ययन N,S सह-डोप्ड कार्बन नैनोट्यूब के भीतर समाहित Co/CoS2 हेटरोस्ट्रक्चर के एक NaCl-सहायता प्राप्त संश्लेषण की रिपोर्ट करता है, जो अत्यधिक कुशल और स्थिर द्वि-कार्यात्मक इलेक्ट्रोकैटालिस्ट के रूप में कार्य करते हैं, जो उच्च प्रदर्शन वाले एनियन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल्स और पुन: चार्ज करने योग्य लिक्विड-स्टेट/फ्लेक्सिबल जिंक-एयर बैटरी को सक्षम करते हैं जो व्यावसायिक Pt/C और RuO2 बेंचमार्क से बेहतर प्रदर्शन करते हैं।
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दुनिया ऊर्जा को संग्रहीत करने और मुक्त करने के बेहतर तरीकों की तलाश में है, जो वर्तमान मशीनों को शक्ति देने वाले सीमित संसाधनों से हटकर उन प्रणालियों की ओर बढ़ रही है जो अधिक स्वच्छ और टिकाऊ हैं। सबसे आशाजनक दावेदारों में वे पुन: चार्ज होने वाली बैटरियां शामिल हैं जो बिजली उत्पन्न करने के लिए सीधे हवा से ऑक्सीजन खींचती हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो एक ही समय में होने वाली दो महत्वपूर्ण रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर निर्भर करती है। एक प्रतिक्रिया ऊर्जा मुक्त करने के लिए ऑक्सीजन अणुओं को अलग करती है, जबकि दूसरी उन्हें संग्रहीत करने के लिए फिर से जोड़ती है। इन बैटरियों के बेहतर ढंग से काम करने के लिए, उन्हें ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो दोनों प्रतिक्रियाओं को कुशलतापूर्वक तेज कर सकें। दशकों तक, वैज्ञानिक इस काम को करने के लिए प्लैटिनम जैसी दुर्लभ और महंगी धातुओं पर निर्भर रहे हैं, लेकिन उनकी उच्च लागत और दुर्लभता उन्हें व्यापक उपयोग के लिए अव्यावहारिक बनाती है। चुनौती, फिर, एक ऐसे पदार्थ को खोजने की है जो सस्ता, टिकाऊ हो और समय के साथ अपनी मजबूती खोए बिना रासायनिक समीकरण के दोनों पक्षों को संभालने में सक्षम हो।
दक्षिण कोरिया के इनहा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया पदार्थ विकसित किया है जो साधारण सामग्रियों को एक चतुर तरीके से मिलाकर इन बाधाओं को दूर करता है। उन्होंने एक उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) बनाया जो कोबाल्ट और कोबाल्ट सल्फाइड युक्त सूक्ष्म कणों से बना है, जिन्हें फिर कार्बन नैनोट्यूब के सुरक्षात्मक आवरण के भीतर लपेटा गया है। ये नैनोट्यूब केवल साधारण ट्यूब नहीं हैं; इनमें नाइट्रोजन और सल्फर परमाणुओं का समावेश किया गया है, जो पदार्थ के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को बदलकर उसे अधिक प्रतिक्रियाशील बनाते हैं। उनकी सफलता की कुंजी एक विशिष्ट निर्माण तकनीक थी जो एक अस्थायी सांचे के रूप में सामान्य साधारण नमक का उपयोग करती है। कच्चे माल को नमक के साथ मिलाकर और गर्म करके, शोधकर्ता एक अत्यधिक छिद्रपूर्ण, स्पंज जैसी संरचना बनाने में सक्षम हुए जो सक्रिय कणों को आपस में जुड़ने (clumping) से रोकती है। यह नमक-सहायता प्राप्त विधि यह सुनिश्चित करती है कि अंतिम उत्पाद का आंतरिक सतह क्षेत्र बहुत विशाल हो, जिससे तरल पदार्थ और गैसें आसानी से प्रवाहित हो सकें, जो बैटरी के त्वरित और कुशल रूप से कार्य करने के लिए आवश्यक है।
परिणामस्वरूप प्राप्त पदार्थ, जो नाइट्रोजन और सल्फर-डोप किए गए कार्बन नैनोट्यूब में अंतर्निहित कोबाल्ट और कोबाल्ट सल्फाइड की एक जटिल संरचना है, उल्लेखनीय रूप से प्रभावी सिद्ध हुआ। प्रयोगशाला सेटिंग में परीक्षण के दौरान, इसने महंगे प्लैटिनम और रूथेनियम बेंचमार्क के बराबर या उससे भी अधिक दक्षता के साथ ऑक्सीजन-मुक्त करने और ऑक्सीजन-अवशोषित करने वाली दोनों प्रतिक्रियाओं को संचालित करने की क्षमता प्रदर्शित की। विशेष रूप से, नए उत्प्रेरक को ऑक्सीजन-मुक्त करने वाली प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए बहुत कम अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता थी और इसमें ऑक्सीजन को कम करने की मजबूत क्षमता दिखाई दी, जो बैटरी के लंबे जीवन के लिए एक महत्वपूर्ण प्रदर्शन है। शोधकर्ताओं ने पाया कि धातु के कणों, सुरक्षात्मक कार्बन ट्यूबों और डोप्ड परमाणुओं के अनूठे संयोजन ने एक सहक्रियात्मक प्रभाव (synergistic effect) पैदा किया। कार्बन ट्यूब बिजली के प्रवाह के लिए एक राजमार्ग के रूप में कार्य करते थे, जबकि धातु और सल्फाइड की विशिष्ट व्यवस्था ने एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनाया जिसने रासायनिक प्रतिक्रियाओं को निर्देशित करने में मदद की। इस डिजाइन ने इस सामग्री को अविश्वसनीय रूप से स्थिर भी बनाया, जो बैटरी के भीतर के कठोर रासायनिक वातावरण का 100 घंटों से अधिक के निरंतर संचालन के दौरान भी प्रतिरोध करती रही, जो पारंपरिक धातु उत्प्रेरकों से कहीं अधिक है जो बहुत पहले ही खराब होने लगते थे।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह सामग्री वास्तविक दुनिया के उपकरणों में काम करती है, टीम ने दो अलग-अलग प्रकार की बैटरियां बनाईं। सबसे पहले, उन्होंने एक मानक तरल-आधारित जिंक-एयर बैटरी बनाई, जो आयनों को संचालित करने के लिए एक तरल इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करती है। इस सेटअप में, नए उत्प्रेरक ने बैटरी को 163.57 मिलीवाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर का शिखर शक्ति घनत्व (peak power density) प्रदान करने में सक्षम बनाया, जो मानक प्लैटिनम और रूथेनियम मिश्रण का उपयोग करने वाली बैटरियों के प्रदर्शन से भी अधिक था। बैटरी ने प्रभावशाली सहनशक्ति भी दिखाई, जिसने महत्वपूर्ण शक्ति हानि के बिना 100 घंटों से अधिक के चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों को बनाए रखा। दूसरा, शोधकर्ताओं ने पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए डिज़ाइन की गई एक लचीली, अर्ध-ठोस-अवस्था (quasi-solid-state) वाली बैटरी में इस सामग्री का परीक्षण किया। इस उपकरण ने तरल इलेक्ट्रोलाइट के बजाय एक जेल जैसे इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया, जिससे बैटरी को मोड़ा और आकार दिया जा सकता था। इन लचीली स्थितियों के तहत भी, उत्प्रेरक ने असाधारण रूप से अच्छा प्रदर्शन किया, 95.19 मिलीवाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर का शिखर शक्ति घनत्व प्रदान किया और 25 घंटों से अधिक के निरंतर चक्रण के लिए स्थिर प्रदर्शन बनाए रखा। बैटरी तीखे कोणों पर मुड़ने के बावजूद कार्यात्मक बनी रही, जो यह दर्शाता है कि यह सामग्री स्मार्ट कपड़ों या फोल्डेबल इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे मोड़ने योग्य उपकरणों के लिए पर्याप्त मजबूत है।
इस परियोजना की सफलता सामग्री की सूक्ष्म संरचना की सटीक इंजीनियरिंग में निहित है। शोधकर्ताओं ने जिंक के वाष्पीकरण और नमक के टेम्पलेट को हटाने की विधि का उपयोग करके सूक्ष्म छिद्रों का एक नेटवर्क बनाया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि इलेक्ट्रोलाइट उत्प्रेरक के भीतर प्रत्येक सक्रिय स्थल तक पहुँच सके। यह छिद्रपूर्ण वास्तुकला, सहवर्ती कंडक्टिव कार्बन नैनोट्यूब नेटवर्क के साथ मिलकर, सक्रिय कणों के आपस में जुड़ने या समय के साथ घुलने की आम समस्या को हल करती है। अध्ययन पुष्टि करता है कि इन घटकों को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, एक उच्च-प्रदर्शन वाला उत्प्रेरक बनाया जा सकता है जो कीमती धातुओं पर निर्भर नहीं है। निष्कर्षों से पता चलता है कि किफायती, टिकाऊ और कुशल ऊर्जा भंडारण प्रणालियों को विकसित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग उपलब्ध है जो इलेक्ट्रिक वाहनों से लेकर पहनने योग्य तकनीक तक सब कुछ संचालित कर सकते हैं, जो हमें एक ऐसे भविष्य के करीब ले जाते हैं जहाँ ऊर्जा भंडारण टिकाऊ और सुलभ दोनों है।
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