Photoelectric Synergistic Supercapacitor Constructed by Cerium and Cobalt Co‑Doped Zinc Ferrite Cathode and Hydrophilic Carbon Nanotubes

ऊर्जा भंडारण आधुनिक दुनिया का एक मौन इंजन है, जो जेब में रखे स्मार्टफोन से लेकर शहर को रोशन करने वाले ग्रिड तक, सब कुछ संचालित करता है। दशकों से, वैज्ञानिक बिजली को संग्रहीत करने के दो मुख्य तरीकों पर निर्भर रहे हैं: बैटरी, जिनमें बहुत अधिक ऊर्जा होती है लेकिन वे धीरे चार्ज होती हैं, और सुपरकैपेसिटर, जो सेकंडों में चार्ज और डिस्चार्ज हो सकते हैं लेकिन अक्सर उनमें ऊर्जा कम होती है। इस अंतर को पाटना शोधकर्ताओं का एक प्रमुख लक्ष्य है, जो लगातार ऐसे पदार्थों की तलाश में रहते हैं जो गति से समझौता किए बिना अधिक शक्ति धारण कर सकें। एक आशाजनक मार्ग में धातु ऑक्साइड (metal oxides) का उपयोग करना शामिल है—जो ऑक्सीजन और लोहे या जिंक जैसी धातुओं से बने यौगिक हैं—जो उनकी सतह पर रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं। हालांकि, इन सामग्रियों में अक्सर खराब चालकता या अस्थिर संरचनाएं होती हैं जो बार-बार उपयोग के बाद टूट जाती हैं। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने "डोपिंग" (doping) के साथ प्रयोग करना शुरू कर दिया है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ सामग्री के गुणों को बदलने के लिए उसमें अन्य तत्वों की सूक्ष्म मात्रा मिलाई जाती है, ठीक वैसे ही जैसे किसी व्यंजन का स्वाद बदलने के लिए उसमें नमक का एक चुटकी डाल दिया जाता है। इन योजकों (additives) का सावधानीपूर्वक चयन करके, शोधकर्ता एक ऐसी सामग्री बनाने की आशा करते हैं जो मजबूत और अत्यधिक कुशल दोनों हो, और अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए प्रकाश के साथ तालमेल बिठाने में सक्षम हो।

हाल ही में एक अध्ययन में, कई चीनी संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशेष रूप से इंजीनियर किए गए धातु ऑक्साइड और कार्बन के एक अनूठे रूप को मिलाकर एक नए प्रकार के सुपरकैपेसिटर को डिजाइन करके इस चुनौती का समाधान किया। उनके नवाचार का केंद्र एक कैथोड (cathode), या धनात्मक इलेक्ट्रोड है, जो जिंक फेराइट (zinc ferrite) से बना है, जो एक ऐसा पदार्थ है जो अपनी स्थिरता के लिए जाना जाता है लेकिन अकेले होने पर सीमित प्रदर्शन करता है। टीम ने इस सामग्री को दो विशिष्ट तत्वों, सीरियम (cerium), जो एक दुर्लभ पृथ्वी धातु है, और कोबाल्ट (cobalt), जो एक संक्रमण धातु है, को पेश करके संशोधित करने का निर्णय लिया। उन्होंने इन तत्वों को केवल मिश्रित नहीं किया; उन्होंने सामग्री को एक विशिष्ट आकार में उगाने के लिए माइक्रोवेव हीटिंग और उच्च तापमान पर बेकिंग वाली एक सटीक, बहु-चरणीय प्रक्रिया का उपयोग किया। इसका परिणाम पतली, एक दूसरे के ऊपर चढ़ी हुई परतों से बनी सूक्ष्म, फूल जैसी संरचनाओं का एक संग्रह था। यह आकार महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक विशाल सतह क्षेत्र बनाता है, जिससे ऊर्जा संग्रहीत करने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए अधिक स्थान उपलब्ध होता है। इस उपकरण को पूरा करने के लिए, उन्होंने इस फूल जैसी कैथोड संरचना को कार्बन नैनोट्यूब से बने एनोड (anode), या ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के साथ जोड़ा, जिसे जल-प्रेमी (hydrophilic) होने के लिए उपचारित किया गया था। यह उपचार इलेक्ट्रोलाइट (वह तरल जो इलेक्ट्रोडों के बीच आयनों को ले जाता है) को सतह को आसानी से गीला करने की अनुमति देता है, जिससे प्रतिरोध कम होता है और बिजली का प्रवाह बेहतर होता है।

शोधकर्ताओं ने पहले यह परीक्षण किया कि तैयारी का समय और जोड़े गए तत्वों की मात्रा ने सामग्री के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने पाया कि ठीक बारह घंटों तक फूल जैसी संरचनाओं को विकसित करने से सबसे प्रभावी आकार प्राप्त हुआ, जो बड़े सतह क्षेत्र की आवश्यकता और संरचनात्मक स्थिरता के बीच संतुलन बनाता है। उन्होंने यह भी निर्धारित किया कि सीरियम और कोबाल्ट दोनों के लिए 0.5 प्रतिशत का विशिष्ट डोपिंग अनुपात सबसे उपयुक्त (sweet spot) था। इस स्तर पर, सामग्री ने 126.4 वर्ग मीटर प्रति ग्राम का विशिष्ट सतह क्षेत्र प्राप्त किया, जो ऊर्जा भंडारण के लिए एक विशाल खुले सतह का संकेत देता है। एक मानक तीन-इलेक्ट्रोड सेटअप में परीक्षण किए जाने पर, इस अनुकूलित सामग्री ने 1 एम्पीयर प्रति ग्राम के करंट डेंसिटी पर 517 फैराड प्रति ग्राम की विशिष्ट क्षमता प्रदान की। यह अनडॉप्ड (undoped) सामग्री की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है, जो समान स्तर तक पहुँचने के लिए संघर्ष कर रही थी। टीम ने यह भी देखा कि सामग्री ने दीर्घकालिक चक्रण (cycling) के बाद अपनी क्षमता का 91 प्रतिशत बनाए रखा, जिससे पता चलता है कि दोहरी-डोपिंग रणनीति ने बार-बार चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के घर्षण के विरुद्ध सामग्री को सफलतापूर्वक मजबूत किया है।

यह देखने के लिए कि यह सामग्री वास्तविक दुनिया के उपकरण में कैसा प्रदर्शन करेगी, वैज्ञानिकों ने एक एसिमेट्रिक सुपरकैपेसिटर (asymmetric supercapacitor) असेंबल किया, जिसमें उनके नए फूल जैसी कैथोड को हाइड्रोफिलिक कार्बन नैनोट्यूब एनोड के साथ जोड़ा गया। परिणाम उत्साहजनक थे। 10,000 चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के बाद, उपकरण ने अपनी प्रारंभिक क्षमता का 85 प्रतिशत बनाए रखा, जो उल्लेखनीय स्थायित्व प्रदर्शित करता है। उपकरण ने 12.5 वाट-घंटा प्रति किलोग्राम का ऊर्जा घनत्व और 536 वाट प्रति किलोग्राम का पावर डेंसिटी भी प्राप्त किया। ये संख्याएँ एक ऐसे उपकरण का संकेत देती हैं जो तेजी से ऊर्जा देने के साथ-साथ एक सम्मानजनक मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है। हालाँकि, अध्ययन का सबसे दिलचस्प पहलू "फोटोइलेक्ट्रिक सिनर्जी" (photoelectric synergy) की खोज थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब वे डिवाइस को चार्ज करते समय उस पर प्रकाश के संपर्क में लाते हैं, तो प्रदर्शन में सुधार होता है। प्रकाश ऊर्जा सामग्री के भीतर अतिरिक्त विद्युत आवेश उत्पन्न करने में मदद करती है, जो प्रभावी रूप से भंडारण क्षमता को बढ़ाती है। इस फोटोइलेक्ट्रिक चार्जिंग मोड में, विशिष्ट क्षमता केवल बिजली से चार्ज करने की तुलना में 7.2 प्रतिशत बढ़ गई। इसके अलावा, उपकरण ने इस दोहरे-मोड चार्जिंग के तहत और भी बेहतर स्थिरता दिखाई, जिससे समय के साथ अपनी क्षमता का उच्च प्रतिशत बना रहा।

अध्ययन स्पष्ट रूप से बताता है कि यह संयोजन इतना अच्छा क्यों काम करता है। सीरियम और कोबाल्ट के जुड़ने से न केवल इसकी रासायनिक संरचना बदली, बल्कि इसने जिंक फेराइट की आंतरिक संरचना को भी बदल दिया। शोधकर्ताओं ने पाया कि डोपिंग ने बड़ी संख्या में ऑक्सीजन रिक्तियों (oxygen vacancies) को जन्म दिया, जो क्रिस्टल लैटिस में खाली स्थान हैं जहाँ ऑक्सीजन परमाणुओं को होना चाहिए। ये रिक्तियाँ सक्रिय साइटों के रूप में कार्य करती हैं जहाँ रासायनिक प्रतिक्रियाएं अधिक आसानी से हो सकती हैं और यह इलेक्ट्रॉनों को सामग्री के माध्यम से तेजी से चलने में भी मदद करती हैं। फूल जैसी आकृति यह सुनिश्चित करती है कि ये सक्रिय साइटें इलेक्ट्रोलाइट के लिए सुलभ हों, जबकि कार्बन नैनोट्यूब इलेक्ट्रॉनों के यात्रा करने के लिए एक हाई-स्पीड हाईवे प्रदान करते हैं। जब प्रकाश सामग्री से टकराता है, तो यह इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करता है, जिससे आवेश का प्रवाह उत्पन्न होता है जो विद्युत धारा को पूरक बनाता है। सामग्री की संरचना, इसकी रासायनिक संरचना और बाहरी प्रकाश स्रोत के बीच यह तालमेल एक ऐसी प्रणाली बनाता है जो अपने हिस्सों के योग से अधिक कुशल है। यह कार्य सुझाव देता है कि इलेक्ट्रोड सामग्रियों की सूक्ष्म संरचना और संरचना को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, सुपरकैपेसिटर की पारंपरिक सीमाओं को पार करना संभव है, जिससे ऐसे उपकरणों का मार्ग प्रशस्त होता है जो अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं, तेजी से चार्ज हो सकते हैं और लंबे समय तक चल सकते हैं।