Synergistic Ferroelectric, Ferromagnetic, and Electrochemical Properties of BaTiO₃–CoFe₂O₄ Nanocomposite for Multifunctional Energy Storage
सह-अवक्षेपण (co-precipitation) के माध्यम से संश्लेषित BaTiO₃–CoFe₂O₄ नैनोकम्पोजिट्स सहक्रियात्मक फेरोइलेक्ट्रिक, फेरोमैग्नेटिक और इलेक्ट्रोकेमिकल गुण प्रदर्शित करते हैं, जिनमें 6.2 J cm⁻³ का उच्च रिकवरेबल ऊर्जा घनत्व और स्थिर स्यूडोकैपेसिटेंस शामिल है, जो उन्हें उन्नत ऊर्जा-भंडारण अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक बहुआयामी सामग्रियों के रूप में स्थापित करता है।
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सामग्री विज्ञान की दुनिया में, शोधकर्ता अक्सर ऐसी सामग्रियों की तलाश करते हैं जो एक साथ कई काम कर सकें। कल्पना कीजिए कि एक ऐसा पदार्थ है जो बैटरी की तरह विद्युत आवेश को धारण कर सकता है, एक दिशा-सूचक यंत्र (कम्पास) की तरह चुंबकीय क्षेत्र को याद रख सकता है, और कंप्यूटर मेमोरी चिप की तरह अपनी आंतरिक विद्युत अवस्था को बदल सकता है। मल्टीफेरोइक (multiferroics) के रूप में ज्ञात ये सामग्रियां अत्यधिक मूल्यवान हैं क्योंकि इनसे छोटे, तेज़ और अधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाए जा सकते हैं। चुनौती एक ऐसे एकल पदार्थ को खोजने में है जो इन विशिष्ट व्यवहारों को एक-दूसरे को रद्द किए बिना जोड़ सके। आमतौर पर, वैज्ञानिक दोनों दुनिया का सर्वश्रेष्ठ प्राप्त करने के लिए दो अलग-अलग सामग्रियों को आपस में मिलाते हैं, इस उम्मीद में कि जहाँ वे मिलते हैं, वह सीमा एक नया, उपयोगी तालमेल पैदा करेगी। यह दृष्टिकोण अगली पीढ़ी के ऊर्जा भंडारण और उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास के लिए केंद्रीय है, जहाँ बिजली से चुंबकत्व को नियंत्रित करने, या कई तरीकों से ऊर्जा संग्रहीत करने की क्षमता ही अंतिम लक्ष्य है।
सूजी विश्वविद्यालय (Suez University), मिस्र के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया नैनोकम्पोजिट पदार्थ बनाकर इस लक्ष्य की ओर एक कदम बढ़ाया है जिसने इन गुणों को सफलतापूर्वक मिश्रित किया है। उन्होंने दो प्रसिद्ध पदार्थों को मिलाया: बेरियम टाइटेनेट (barium titanate), जो विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है, और कोबाल्ट फेराइट (cobalt ferrite), जो एक कठोर चुंबकीय सामग्री है। 'को-प्रिसिपिटेशन' (co-precipitation) नामक एक सरल रासायनिक प्रक्रिया का उपयोग करके नैनोस्केल पर इन्हें मिलाकर, उन्होंने छोटे, अनियमित आकार के कणों का पाउडर तैयार किया। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) के नीचे इन कणों का परीक्षण किया और एक्स-रे के साथ उनकी संरचना का विश्लेषण किया, तो उन्होंने पुष्टि की कि यह पदार्थ कई क्रिस्टलीय चरणों (crystalline phases) का एक जटिल मिश्रण था, जिसमें इच्छित चुंबकीय और विद्युत घटक शामिल थे, साथ ही कुछ अन्य संबंधित संरचनाएं भी जो हीटिंग प्रक्रिया के दौरान बनी थीं। ये कण अविश्वसनीय रूप से छोटे थे, जिनका आकार लगभग पच्चीस नैनोमीटर था, जो एक ऐसा आकार है जो विभिन्न गुणों को प्रभावी ढंग से परस्पर क्रिया करने की अनुमति देने के लिए महत्वपूर्ण है।
शोधकर्ताओं ने फिर इस नए पदार्थ को विभिन्न परिस्थितियों में इसके व्यवहार को देखने के लिए परीक्षणों की एक श्रृंखला से गुजारा। जब उन्होंने नमूने को गर्म किया और इसकी विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करने की क्षमता को मापा, तो उन्होंने 648 केल्विन के एक विशिष्ट तापमान पर एक नाटकीय परिवर्तन देखा। इस बिंदु पर, पदार्थ एक चरण संक्रमण (phase transition) से गुजरा, जो उस अवस्था से जहाँ यह स्थायी विद्युत ध्रुवीकरण (polarization) बनाए रख सकता था, ऐसी अवस्था में बदल गया जहाँ यह नहीं रख सकता था। यह व्यवहार एक फेरोइलेक्ट्रिक (ferroelectric) पदार्थ की पहचान है, और तथ्य यह है कि यह इतने उच्च तापमान पर हुआ, यह दर्शाता है कि पदार्थ स्थिर और मजबूत है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि पदार्थ ने विद्युत आवेश को संग्रहीत करने की बहुत उच्च क्षमता दिखाई, जिसका डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक (dielectric constant) एक हजार से अधिक था, जो ऊर्जा भंडारण के लिए उपयोग किए जाने वाले उच्च-प्रदर्शन कैपेसिटर के लिए एक प्रमुख आवश्यकता है।
अपनी विद्युत क्षमताओं के अलावा, इस पदार्थ ने कमरे के तापमान पर मजबूत चुंबकीय गुण भी प्रदर्शित किए। एक चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर, कण संरेखित हो गए और चुंबकीय क्षेत्र को हटाने के बाद भी चुंबकत्व के एक हिस्से को बनाए रखा, जिससे यह एक स्थायी चुंबक की तरह व्यवहार करने लगा। हालांकि चुंबकीय शक्ति थोड़ी कम हो गई थी क्योंकि चुंबकीय घटक को गैर-चुंबकीय बेरियम टाइटेनेट के साथ मिला दिया गया था, फिर भी पदार्थ ने स्पष्ट रूप से स्थिर चुंबकीय डोमेन (magnetic domains) के संकेत दिखाए। मजबूत विद्युत ध्रुवीकरण और चुंबकीय व्यवस्था की यह साथ उपस्थिति पुष्टि करती है कि यह पदार्थ वास्तव में मल्टीफेरोइक है, जो विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों दोनों के प्रति प्रतिक्रिया करने में सक्षम है।
शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि यह पदार्थ सुपरकैपेसिटर (supercapacitors) के लिए एक इलेक्ट्रोड के रूप में कितनी अच्छी तरह प्रदर्शन करता है, जो एक प्रकार का उपकरण है जो ऊर्जा को तेजी से संग्रहीत करता है और उतनी ही तेजी से मुक्त करता है। जब शोधकर्ताओं ने इसे एक तरल इलेक्ट्रोलाइट में परीक्षण किया, तो इसने सतह पर रासायनिक अभिक्रियाओं के माध्यम से आवेश को संग्रहीत करने की एक उल्लेखनीय क्षमता प्रदर्शित की, जिसे 'स्यूडोकैपेसिटेंस' (pseudocapacitance) कहा जाता है। पदार्थ ने 1 एम्पीयर प्रति ग्राम के करंट डेंसिटी पर 288.8 फैराड प्रति ग्राम की विशिष्ट धारिता (specific capacitance) प्राप्त की, जो ऊर्जा भंडारण की उच्च क्षमता का संकेत देती है। इसके अलावा, पदार्थ अविश्वसनीय रूप से टिकाऊ साबित हुआ; एक हजार चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के बाद भी, इसने अपनी मूल क्षमता का नब्बे प्रतिशत से अधिक हिस्सा बनाए रखा। उपयोग के साथ उपकरण के जल्दी खराब न होने के अर्थ में, यह स्थिरता किसी भी व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए आवश्यक है।
अध्ययन से पता चलता है कि इस पदार्थ की सफलता इसकी विभिन्न आंतरिक संरचनाओं के बीच जटिल परस्पर क्रिया से आती है। विभिन्न क्रिस्टल चरणों के मिलन स्थल एक ऐसा परिदृश्य बनाते हैं जो विद्युत आवेशों और चुंबकीय डोमेन को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने में मदद करता है। संरचना में टाइटेनियम की उपस्थिति संभवतः विद्युत ऊर्जा के भंडारण में सहायता करती है, जबकि कोबाल्ट और लोहा चुंबकीय शक्ति प्रदान करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, ऊर्जा को संग्रहीत करने और मुक्त करने की पदार्थ की क्षमता वास्तव में बेहतर हुई, जो 6.2 जूल प्रति घन सेंटीमीटर के अधिकतम रिकवरेबल ऊर्जा घनत्व और लगभग साठ-छह प्रतिशत की दक्षता तक पहुँच गई। उच्च ऊर्जा भंडारण, चुंबकीय स्थिरता और दीर्घकालिक स्थायित्व का यह संयोजन इस पदार्थ को भविष्य की उन तकनीकों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है जिन्हें एक साथ कई कार्यों को संभालने वाले उपकरणों की आवश्यकता होती है।
ऊर्जा भंडारण के व्यापक संदर्भ में, यह कार्य एक ऐसे मार्ग को उजागर करता है जो एकल-उद्देश्य वाली सामग्रियों से आगे बढ़ता है। फेरोइलेक्ट्रिक, फेरोमैग्नेटिक और इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों को एक साथ लाने वाले एक कंपोजिट को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा पदार्थ बनाया है जो न केवल ऊर्जा संग्रहीत करता है बल्कि इसे बहुमुखी और लचीले तरीके से करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि ऐसे नैनोकम्पोजिट एकीकृत इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों की नींव बन सकते हैं जहाँ ऊर्जा भंडारण, चुंबकीय संवेदन और डेटा प्रोसेसिंग को एक ही, बहु-कार्यात्मक घटक द्वारा संभाला जा सकता है। हालांकि यह पदार्थ अभी अनुसंधान के चरण में है, हजारों चक्रों के दौरान अपने प्रदर्शन को बनाए रखने की इसकी क्षमता और इसकी उच्च दक्षता यह सुझाव देती है कि यह उन्नत सुपरकैपेसिटर और अन्य अगली पीढ़ी के ऊर्जा उपकरणों के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है।
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