Pseudocapacitive Behavior and Efficient Energy Storage Mechanism of Bamboo Powder-Based Porous Carbon Synergistically Modified by FeCl3-MoS2

दुनिया ऊर्जा भंडारण के बेहतर तरीकों की तलाश में है, जो जीवाश्म ईंधन से हटकर स्वच्छ, नवीकरणीय स्रोतों की ओर बढ़ रही है। इस बदलाव में सबसे आशाजनक उपकरणों में से एक सुपरकैपेसिटर (supercapacitor) है, जो एक बैटरी और एक पारंपरिक कैपेसिटर के बीच का स्थान रखता है। जहाँ बैटरियाँ लंबे समय तक बड़ी मात्रा में ऊर्जा को बनाए रखने में उत्कृष्ट होती हैं, वहीं वे चार्ज और डिस्चार्ज होने में धीमी हो सकती हैं। दूसरी ओर, सुपरकैपेसिटर ऊर्जा को लगभग तुरंत अवशोषित और मुक्त कर सकते हैं, जिससे वे उन अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बन जाते हैं जिनमें बिजली के त्वरित झटकों (bursts) की आवश्यकता होती है, जैसे कि इलेक्ट्रिक वाहनों में पुनर्योजी ब्रेकिंग (regenerative braking) या पावर ग्रिड को स्थिर करना। हालाँकि, इन उपकरणों को वास्तव में उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे इलेक्ट्रोड सामग्री बनाने की आवश्यकता है जो न केवल तेज़ हों बल्कि ऊर्जा की एक महत्वपूर्ण मात्रा संग्रहीत करने में भी सक्षम हों। इसमें अक्सर दो प्रकार के ऊर्जा भंडारण के बीच संतुलन बनाना शामिल होता है: एक जो सतह पर आयनों के भौतिक संचय पर निर्भर करता है, और दूसरा जो अतिरिक्त चार्ज संग्रहीत करने के लिए सतह पर होने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया पर शामिल होता है।

जिलिन जियानझू विश्वविद्यालय (Jilin Jianzhu University) के शोधकर्ताओं ने बांस जैसे एक सामान्य, नवीकरणीय संसाधन की ओर मुड़कर इन इलेक्ट्रोड्स को बेहतर बनाने की चुनौती को हल किया है। उन्होंने बांस के पाउडर को सुपरकैपेसिटर के लिए एक अत्यधिक प्रभावी सामग्री में बदलने की एक विधि विकसित की। टीम को प्रदर्शन बढ़ाने के लिए उपयोग किए जाने वाले एक सामान्य योज्य (additive), मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड नामक खनिज के साथ एक विशिष्ट समस्या का सामना करना पड़ा। जबकि यह खनिज रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा संग्रहीत करने में उत्कृष्ट है, यह गीली रेत की तरह आपस में गुच्छे बनाने की प्रवृत्ति रखता है, जो इसकी कुशलता से कार्य करने की क्षमता को बाधित करता है। इसके अलावा, यह सामग्री अपने आप में बिजली का संचालन अच्छी तरह से नहीं करती है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक दूसरा घटक पेश किया, आयरन क्लोराइड, जिसने एक बहुउद्देशीय उपकरण के रूप में कार्य किया। उन्होंने गर्मी और पानी का उपयोग करके बांस, खनिज और लोहे को आपस में जोड़ने की एक प्रक्रिया अपनाई, जिससे एक नई प्रकार की छिद्रयुक्त कार्बन (porous carbon) सामग्री बनी। इस नई सामग्री को, जिसे शोधकर्ता BPCM-1-2-80{*} कहते हैं, में एक अनूठी आंतरिक संरचना है जो खनिज को गुच्छे बनाने से रोकती है और आयनों के तेजी से गुजरने के लिए सूक्ष्म चैनलों का एक विशाल नेटवर्क बनाती है।

प्रक्रिया की शुरुआत चीन के अनहुई प्रांत से एकत्र किए गए बांस के पाउडर से हुई। शोधकर्ताओं ने इस पाउडर को मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड और आयरन क्लोराइड के घोल के साथ मिलाया, फिर मिश्रण को एक सीलबंद कंटेनर में गर्म किया। हाइड्रोथर्मल उपचार (hydrothermal treatment) के रूप में जानी जाने वाली इस प्रारंभिक प्रक्रिया ने बांस को कार्बोनाइज करने और लोहे तथा खनिज को सामग्री के भीतर समान रूप से वितरित करने में मदद की। इस प्रारंभिक हीटिंग के बाद, प्राप्त ठोस को पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड नामक एक शक्तिशाली रसायन के साथ मिलाया गया और 800 डिग्री सेल्सियस पर एक भट्टी में फिर से गर्म किया गया। सक्रियण (activation) कहा जाने वाला यह दूसरा हीटिंग चरण, कार्बन के कुछ हिस्सों को हटाकर एक स्पंज जैसी संरचना बनाता है जो सूक्ष्म छिद्रों से भरी होती है। यहाँ आयरन क्लोराइड ने महत्वपूर्ण भूमिका निभाई; इसने इन छिद्रों को बनाने में मदद की, खनिज संरचना में दोष (defects) पैदा किए जिससे वह अधिक सक्रिय हो गई, और खनिज में मौजूद सल्फर के साथ प्रतिक्रिया करके आयरन सल्फाइड के छोटे क्रिस्टल बनाए। इन आयरन सल्फाइड क्रिस्टलों ने खनिज को कार्बन से बांध दिया, जिससे समय के साथ इसके अलग होने या गुच्छे बनाने की संभावना कम हो गई।

परिणामस्वरूप बनी सामग्री एक जटिल, त्रि-आयामी नेटवर्क है जो सूक्ष्मदर्शी के नीचे मधुमक्खी के छत्ते जैसा दिखता है। यह विभिन्न आकारों के छिद्रों से भरा है, जो बहुत छोटे माइक्रोपोर्स (micropores) से लेकर थोड़े बड़े मेसोपोर्स (mesopores) तक होते हैं। यह पदानुक्रम (hierarchy) अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि बड़े छिद्र आयनों के तेजी से यात्रा करने के लिए राजमार्ग के रूप में कार्य करते हैं, जबकि छोटे छिद्र एक विशाल सतह क्षेत्र प्रदान करते हैं जहाँ वास्तविक ऊर्जा भंडारण होता है। शोधकर्ताओं ने अपने सर्वश्रेष्ठ नमूने के सतह क्षेत्र को मापा और पाया कि यह अविश्वसनीय रूप से उच्च है, जो मात्र एक ग्राम सामग्री में 2100 वर्ग मीटर से अधिक क्षेत्र को कवर करता है। यह विशाल सतह क्षेत्र, लोहे और खनिज द्वारा प्रदान की गई रासायनिक प्रतिक्रियाओं के साथ मिलकर, इस सामग्री को पिछले बांस-आधारित कार्बन संस्करणों की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने की अनुमति देता है।

एक प्रयोगशाला सेटिंग में, एक मजबूत क्षारीय समाधान का उपयोग करके परीक्षण किए जाने पर, नई सामग्री ने प्रभावशाली क्षमता प्रदर्शित की। एक मानक तीन-इलेक्ट्रोड परीक्षण में, सामग्री ने 0.5 एम्पियर प्रति ग्राम की करंट डेंसिटी पर 450 फैराड प्रति ग्राम की विशिष्ट धारिता (specific capacitance) प्राप्त की। इसे समझने के लिए, यह वैज्ञानिक साहित्य में रिपोर्ट की गई कई अन्य बायोमास-व्युत्पन्न कार्बन सामग्रियों की तुलना में काफी अधिक है। सामग्री ने उल्लेखनीय स्थिरता भी दिखाई। 5,000 बार चार्ज और डिस्चार्ज होने के बाद, इसने अपनी मूल क्षमता का 95 प्रतिशत बनाए रखा। यह स्थायित्व बताता है कि आंतरिक संरचना बार-बार ऊर्जा भंडारण चक्रों के शारीरिक तनाव को बिना टूटे सहने के लिए पर्याप्त मजबूत है। शोधकर्ता इस सफलता का श्रेय घटकों के बीच तालमेल को देते हैं: कार्बन इलेक्ट्रॉनों के लिए एक चालक पथ प्रदान करता है, छिद्रयुक्त संरचना आयनों को स्वतंत्र रूप से घूमने देती है, और लोहा एवं खनिज स्थल रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से अतिरिक्त क्षमता प्रदान करते हैं।

यह देखने के लिए कि क्या यह सामग्री एक वास्तविक दुनिया के उपकरण में काम कर सकती है, टीम ने उनकी नई सामग्री से बने दो इलेक्ट्रोडों का उपयोग करके एक सममित सुपरकैपेसिटर (symmetric supercapacitor) तैयार किया। इस उपकरण का परीक्षण यह देखने के लिए किया गया कि यह कितनी ऊर्जा रख सकता है और विभिन्न गति से उस ऊर्जा को कितनी अच्छी तरह वितरित कर सकता है। उपकरण ने 242 फैराड प्रति ग्राम की धारिता प्रदान की और 28.6 वाट-घंटे प्रति किलोग्राम की अधिकतम ऊर्जा घनत्व (energy density) प्राप्त की। इसका अर्थ है कि यह बहुत अधिक मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है और साथ ही इसे बहुत तेज़ी से मुक्त भी कर सकता है। यहाँ तक कि जब उपकरण को बहुत उच्च दर पर बिजली देने के लिए मजबूर किया गया, तब भी इसने अपनी ऊर्जा भंडारण क्षमता का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बनाए रखा। 10,000 चक्रों के दीर्घकालिक परीक्षण के दौरान, उपकरण ने अपनी प्रारंभिक धारिता का 92.3 प्रतिशत बनाए रखा, जो यह सिद्ध करता है कि यह सामग्री न केवल शक्तिशाली है बल्कि दीर्घकालिक उपयोग के लिए विश्वसनीय भी है।

यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि इस प्रदर्शन की कुंजी केवल एक घटक जोड़ना नहीं था, बल्कि बांस, लोहा और खनिज के बीच के अंतर्संबंध को सावधानीपूर्वक संतुलित करना था। आयरन क्लोराइड ने एक मार्गदर्शक के रूप में कार्य किया, छिद्रों को आकार दिया और यह सुनिश्चित किया कि खनिज समान रूप से फैला हुआ रहे, जबकि उच्च-तापमान सक्रियण ने कुशल आयन परिवहन के लिए आवश्यक संरचना बनाई। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि वे बहुत अधिक आयरन क्लोराइड का उपयोग करते, तो छिद्र ढह जाते और प्रदर्शन गिर जाता। इसी तरह, यदि हीटिंग तापमान बहुत कम या बहुत अधिक होता, तो सामग्री इष्टतम संरचना नहीं बना पाती। सटीक घटकों और स्थितियों के संयोजन को खोजकर, उन्होंने एक ऐसी सामग्री बनाई जो केवल बांस या केवल खनिज के उपयोग की सीमाओं को पार करती है।

यह कार्य उच्च-प्रदर्शन वाले ऊर्जा भंडारण उपकरणों को सस्ते, नवीकरणीय और प्रचुर संसाधनों से बनाने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। बांस के कचरे को एक परिष्कृत इलेक्ट्रोड सामग्री में बदलकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी विधि प्रदर्शित की है जो पर्यावरण के अनुकूल और आर्थिक रूप से व्यवहार्य है। यह दृष्टिकोण महंगे या जहरीले पदार्थों के उपयोग से बचता है, और एक सरल, स्केलेबल प्रक्रिया पर निर्भर करता है जिसे बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए अपनाया जा सकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि सही रासायनिक संशोधनों के साथ, सामान्य बायोमास को एक ऐसी सामग्री में बदला जा सकता है जो आधुनिक ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की कठिन आवश्यकताओं को पूरा करने में सक्षम हो, जो वर्तमान में बैटरियों और सुपरकैपेसिटर में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के लिए एक टिकाऊ विकल्प प्रदान करती है।