Study on Two-Step and Low-Temperature Wet Activation of Residual Carbon Derived from Coal Gasification Fine Slag and Its Electrochemical Performance for Supercapacitor
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कोल गैसीफिकेशन फाइन स्लैग-व्युत्पन्न अवशिष्ट कार्बन को दो-चरणीय HNO₃ प्री-एक्टिवेशन और KOH एक्टिवेशन प्रक्रिया के माध्यम से प्रभावी रूप से उच्च-प्रदर्शन वाले सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड में परिवर्तित किया जा सकता है, जिससे एक ऐसा पदार्थ प्राप्त होता है जिसमें उन्नत सतह गीलापन (surface wettability), 155 F g⁻¹ की विशिष्ट धारिता (specific capacitance) और असाधारण साइक्लिंग स्थिरता होती है।
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स्वच्छ ऊर्जा की खोज में, वैज्ञानिक बिजली को संग्रहीत करने के बेहतर तरीकों की तलाश में लगातार जुटे रहते हैं। एक आशाजनक उपकरण सुपरकैपेसिटर है, जो लगभग तुरंत बिजली को चार्ज और डिस्चार्ज कर सकता है, जिससे यह उन अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बन जाता है जिन्हें ऊर्जा के तीव्र झटकों (bursts) की आवश्यकता होती है, जैसे कि वाहनों में पुनर्योजी ब्रेकिंग (regenerative braking) या विद्युत ग्रिड को स्थिर करना। बैटरी के विपरीत, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा संग्रहीत करती है जिसमें समय लगता है, सुपरकैपेसिटर सामग्री की सतह पर विद्युत आवेशों को रोककर ऊर्जा संग्रहीत करते हैं। इस भंडारण की प्रभावशीलता काफी हदतः उपयोग की जाने वाली सामग्री पर निर्भर करती है। आदर्श रूप से, इन इलेक्ट्रोडों को अत्यधिक छिद्रयुक्त (porous) कार्बन से बना होना चाहिए, जो आवेशों के चिपकने के लिए एक विशाल आंतरिक सतह क्षेत्र प्रदान करे, और उन्हें तरल इलेक्ट्रोलाइट द्वारा आसानी से भीगे जाने योग्य (wetted) होना चाहिए जो आयनों को ले जाता है। हालांकि उच्च-प्रदर्शन वाली कार्बन सामग्रियां मौजूद हैं, लेकिन उन्हें बनाना अक्सर महंगा होता है या उनके निर्माण में ऊर्जा-गहन प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है। यह एक ऐसी विधि की आवश्यकता पैदा करता है जो लागत प्रभावी और पर्यावरण के अनुकूल दोनों हो, जो कचरे को एक मूल्यवान संसाधन में बदल सके।
चीन में, ईंधन गैस बनाने के लिए कोयले के गैसीकरण की प्रक्रिया से 'कोल गैसीफिकेशन फाइन स्लैग' नामक भारी मात्रा में ठोस अपशिष्ट उत्पन्न होता है। इस कचरे का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बिना जले कार्बन को समाहित करता है, जिसे वर्तमान में एक समस्या के रूप में देखा जाता है, जिसे अक्सर फेंक दिया जाता है या कम-मूल्य वाली ऊर्जा रिकवरी के लिए जला दिया जाता है। इनर मंगोलिया यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस कचरे में एक अवसर देखा। उन्होंने इस स्लैग में मौजूद अवशिष्ट कार्बन को सुपरकैपेसिटर के लिए एक उच्च-प्रदर्शन इलेक्ट्रोड सामग्री में बदलने का लक्ष्य रखा। उनका लक्ष्य इस कार्बन को सक्रिय करने का एक तरीका खोजना था—अनिवार्य रूप से इसकी संरचना को खोलना ताकि इसे अधिक छिद्रयुक्त और रासायनिक रूप से सक्रिय बनाया जा सके—बिना पारंपरिक तरीकों की तरह अत्यधिक गर्मी और उच्च ऊर्जा लागतों का उपयोग किए। इसके बजाय, उन्होंने एक "वेट एक्टिवेशन" (wet activation) प्रक्रिया का पता लगाया जो बहुत कम तापमान पर होती है, जिसमें सामग्री को नया आकार देने के लिए दो-चरणीय रासायनिक उपचार का उपयोग किया जाता है।
शोधकर्ताओं ने पहले महीन स्लैग से बिना जले कार्बन को अलग किया। फिर उन्होंने इस कच्चे कार्बन को रासायनिक उपचारों के एक विशिष्ट क्रम के अधीन किया। सबसे पहले, उन्होंने सामग्री को नाइट्रिक एसिड में भिगोया। यह चरण एक सौम्य स्क्रब की तरह था, जिसने कार्बन कणों की सतह पर ऑक्सीजन-समृद्ध समूहों को पेश किया और उन्हें पानी और आयनों के प्रति अधिक ग्रहणशील बनाया। इसके बाद, उन्होंने एसिड-वॉश किए गए कार्बन को एक सीलबंद पात्र के भीतर पोटेशियम हाइड्रोक्साइड (एक मजबूत क्षार) के साथ मध्यम तापमान पर उपचारित किया। इस दूसरे चरण ने सामग्री को और अधिक नक्काशीदार (etch) किया, जिससे सूक्ष्म छिद्रों का एक नेटवर्क बना और कुछ नाइट्रोजन-युक्त प्रजातियों को हटा दिया जो एसिड ने पेश की थीं। टीम ने यह देखने के लिए चार अलग-अलग तापमानों पर इस प्रक्रिया का परीक्षण किया कि किस ताप स्तर ने सर्वोत्तम परिणाम दिए। उन्होंने रसायनों के क्रम को उलटने का भी प्रयोग किया, यानी पहले क्षार और फिर एसिड लगाना, ताकि यह समझा जा सके कि उपचार का क्रम अंतिम संरचना को कैसे प्रभावित करता है।
परिणामों ने दिखाया कि संचालन का क्रम और तापमान अत्यंत महत्वपूर्ण थे। सबसे सफल सामग्री वह थी जिसे पहले एसिड और फिर बेस (क्षार) से उपचारित किया गया था, और तापमान 150 डिग्री सेल्सियस था। इस विशिष्ट नमूने को, जिसे शोधकर्ताओं ने RCHK-3 नाम दिया, ने 775 वर्ग मीटर प्रति ग्राम का विशिष्ट सतह क्षेत्र वाला एक अत्यधिक छिद्रयुक्त संरचना विकसित किया। इस पैमाने को समझने के लिए, एक ग्राम इस सामग्री का सतह क्षेत्र लगभग एक छोटे टेनिस कोर्ट के बराबर होता है, जो धूल के एक नन्हे कण के भीतर समाया हुआ है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इस सामग्री की सतह अविश्वसनीय रूप से हाइड्रोफिलिक (जल-स्नेही) हो गई, जिसका अर्थ है कि यह पानी को पसंद करती है। परीक्षण करने पर, तरल इलेक्ट्रोलाइट की एक बूंद सतह पर लगभग तुरंत फैल गई, जिसका संपर्क कोण (contact angle) केवल 35 डिग्री था, जबकि कच्चा कार्बन तरल को प्रतिकर्षित करता था। यह गीलापन (wettability) सुनिश्चित करता है कि इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के गहरे छिद्रों में आसानी से प्रवेश कर सके, जिससे आयन ऊर्जा भंडारण के लिए प्रत्येक उपलब्ध स्थान तक पहुँच सकें।
जब शोधकर्ताओं ने इस नई सामग्री को एक सुपरकैपासिटर में टेस्ट किया, तो इसने असाधारण प्रदर्शन किया। एक मानक परीक्षण में, सामग्री ने 155 फैराड प्रति ग्राम की विशिष्ट धारिता (specific capacitance) प्रदान की, जो इस बात का माप है कि वह कितनी विद्युत चार्ज धारण कर सकती है। यह प्रदर्शन रसायनों के उलटे क्रम वाले नमूनों या उच्च या निम्न तापमान पर उपचारित नमूनों की तुलना में बेहतर था। यह सामग्री उल्लेखनीय रूप से टिकाऊ भी सिद्ध हुई। 10,000 बार चार्ज और डिस्चार्ज होने के बाद भी, डिवाइस ने अपनी मूल क्षमता का 99.03 प्रतिशत बनाए रखा, जो दर्शाता है कि हजारों चक्रों के बाद भी संरचना स्थिर रही। जब इसे एक पूर्ण सममित (symmetric) सुपरकैपसिटर डिवाइस में असेंबल किया गया, तो सिस्टम ने 270 वाट प्रति किलोग्राम का पावर डेंसिटी और 6.6 वाट-घंटा प्रति किलोग्राम की एनर्जी डेंसिटी प्राप्त की। ये आंकड़े दर्शाते हैं कि एक ऐसा उपकरण जो ऊर्जा को तेजी से मुक्त कर सकता है और उपयोगी मात्रा में चार्ज रख सकता है, वह भी एक ऐसी सामग्री से बना है जो पहले औद्योगिक कचरा मानी जाती थी।
यह अध्ययन सुझाव देता है कि दो-चरणीय, कम-तापमान वाली वेट एक्टिवेशन प्रक्रिया, कोल गैसीफिकेशन कचरे को एक मूल्यवान ऊर्जा भंडारण घटक में अपग्रेड करने के लिए एक व्यवहार्य रणनीति है। कार्बन को सक्रिय करने के लिए अक्सर आवश्यक उच्च तापमान से बचकर, यह प्रक्रिया ऊर्जा की खपत को कम करती है और संक्षारक रसायनों से उपकरणों को नुकसान पहुँचने के जोखिम को कम करती है। शोध इस बात पर प्रकाश डालता है कि एसिड के बाद बेस उपचार का विशिष्ट क्रम ही छिद्रों और सतह रसायन विज्ञान के बीच सही संतुलन बनाने की कुंजी है। हालांकि इस सामग्री का प्रदर्शन बायोमास से बनी कुछ कार्बन इलेक्ट्रोडों के तुलनीय है, लेकिन यहाँ मुख्य लाभ इसका स्रोत है: कच्चा माल एक विशाल औद्योगिक प्रक्रिया का उपोत्पाद है जो वर्तमान में निपटान के लिए संघर्ष कर रहा है। यह कार्य कचरे को ऊर्जा भंडारण के भविष्य के लिए एक कार्यात्मक घटक में बदलने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जो यह सिद्ध करता है कि सही रासायनिक दृष्टिकोण के साथ, जो कभी कचरा था वह स्वच्छ ऊर्जा प्रणाली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बन सकता है।
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