Bimetallic cobalt-nickel phosphide composite biomass carbon materials as efficient electrocatalysts for zinc-air batteries

दुनिया स्वच्छ ऊर्जा भंडारण के तरीकों की तलाश कर रही है, जो उन जीवाश्म ईंधनों से दूर जा रहे हैं जो हवा को प्रदूषित करते हैं और ग्रह को गर्म करते हैं। खोजे जा रहे कई प्रौद्योगिकियों के बीच, पुन: चार्ज होने वाली जिंक-एयर बैटरी एक आशाजनक विकल्प के रूप में उभर रही है। ये उपकरण एक पारंपरिक बैटरी और एक फ्यूल सेल के हाइब्रिड की तरह काम करते हैं। वे एक तरफ जिंक धातु की प्लेट का उपयोग करते हैं और दूसरी तरफ के लिए हवा से ऑक्सीजन खींचते हैं, जिससे रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से बिजली उत्पन्न होती है। उनके पास जितनी ऊर्जा संचित हो सकती है, वह सैद्धांतिक रूप से बहुत अधिक है, और क्योंकि वे ज्वलनशील रसायनों के बजाय पानी आधारित तरल पदार्थों का उपयोग करते हैं, इसलिए वे स्वाभाविक रूप से सुरक्षित हैं और सस्ते एवं प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सामग्रियों से बने हैं। हालाँकि, एक बड़ी बाधा उन्हें मुख्यधारा का ऊर्जा स्रोत बनने से रोकती है: बैटरी के अंदर होने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाएं बहुत धीमी हैं। विशेष रूप से, बिजली बनाने के लिए ऑक्सीजन का उपभोग करने वाली प्रक्रियाएं और बैटरी को रिचार्ज करने के लिए ऑक्सीजन को छोड़ने की विपरीत प्रक्रिया, मांग के साथ तालमेल बिठाने में संघर्ष करती हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों को विशेष सामग्रियों की आवश्यकता है जिन्हें उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) कहा जाता है, जो इन प्रतिक्रियाओं को तेज कर सकें। वर्तमान में उपलब्ध सर्वोत्तम उत्प्रेरक प्लैटिनम जैसी दुर्लभ और महंगी धातुओं से बने होते हैं, जो दुर्लभ हैं और व्यापक उपयोग के लिए बहुत अधिक लागत रखते हैं।

चीन के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया दृष्टिकोण विकसित करके इस समस्या को हल करने का प्रयास किया है, जिसमें उन्होंने एक ऐसा उत्प्रेरक बनाया है जो प्रभावी और किफायती दोनों है। दुर्लभ धातुओं पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने दो सामान्य संक्रमण धातुओं (ट्रांजिशन मेटल्स), कोबाल्ट और निकल को, चिटोसन नामक एक प्राकृतिक, जैव-अपघटनीय सामग्री से प्राप्त कार्बन के साथ मिलाया। चिटोसन क्रस्टेशियंस (कवच वाले जीव) के खोल से आता है, जो एक अपशिष्ट उत्पाद है जिसे अक्सर फेंक दिया जाता है। शोधकर्ताओं ने इस कचरे को लिया, इसे एक छिद्रपूर्ण कार्बन सामग्री में संसाधित किया, और फिर इस पर कोबाल्ट और निकल फॉस्फाइड की सूक्ष्म संरचनाएं उगाईं। फॉस्फाइड एक ऐसा यौगिक है जहाँ धातु के परमाणु फास्फोरस के साथ बंधे होते हैं, जो एक ऐसा पदार्थ है जो बिजली का अच्छा संचालन करता है। इन तत्वों को एक साथ मिलाकर, टीम ने एक मिश्रित सामग्री बनाई जो बैटरी के लिए आवश्यक ऑक्सीजन-उपभोग और ऑक्सीजन-मुक्ति दोनों प्रतिक्रियाओं के लिए एक शक्तिशाली उत्प्रेरक के रूप में कार्य करती है।

शोधकर्ताओं ने अपने नए पदार्थ का परीक्षण, जिसे उन्होंने CoNiP@NC नाम दिया, प्रयोगशाला सेटिंग में यह देखने के लिए किया कि यह महंगे गोल्ड-स्टैंडर्ड उत्प्रेरकों की तुलना में कैसा प्रदर्शन करता है। उन्होंने पाया कि नया पदार्थ उल्लेखनीय रूप से कुशल था। जब उन्होंने ऑक्सीजन को उपभोग करने की प्रतिक्रिया शुरू करने की आसानी को मापने के लिए वोल्टेज का उपयोग किया, तो इसे 0.876 वोल्ट की आवश्यकता थी, जो महंगे प्लैटिनम-आधारित उत्प्रेरकों के प्रदर्शन के बहुत करीब है। जब उन्होंने बैटरी को रिचार्ज करने के लिए ऑक्सीजन को छोड़ने की क्षमता को मापा, तो इसे केवल 503 मिलीवोल्ट के अतिरिक्त धक्के की आवश्यकता थी, जो उनके द्वारा परीक्षण किए गए बेंचमार्क सामग्रियों से बेहतर है। सरल शब्दों में, नया उत्प्रेरक पारंपरिक महंगे विकल्पों की तुलना में कम ऊर्जा हानि के साथ आवश्यक रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित कर सकता था। टीम ने यह भी पाया कि कोबाल्ट और निकल का विशिष्ट संयोजन महत्वपूर्ण था। जब उन्होंने निकल जैसे अन्य धातुओं का उपयोग करके समान सामग्रियों का परीक्षण किया, तो प्रदर्शन उतना अच्छा नहीं था। निकल के परमाणुओं ने कोबाल्ट के इलेक्ट्रॉनिक वातावरण को बदल दिया, जिससे सतह पर सक्रिय स्थल अपने काम को करने में अधिक प्रभावी हो गए।

यह समझने के लिए कि यह संयोजन इतना अच्छा क्यों काम कर रहा था, शोधकर्ताओं ने सूक्ष्म स्तर पर परमाणुओं के व्यवहार को देखने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। इन गणनाओं ने दिखाया कि निकल की उपस्थिति ने रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए ऊर्जा अवरोध को कम कर दिया, जिससे प्रक्रिया का होना आसान हो गया। सिमुलेशनों ने यह भी खुलासा किया कि नाइट्रोजन-डोप किए गए कार्बन सपोर्ट ने महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। कार्बन सामग्री केवल धातु कणों को थामने वाला निष्क्रिय आधार नहीं था; इसने प्रतिक्रिया के लिए अपने स्वयं के सक्रिय स्थल प्रदान किए और धातु संरचनाओं को स्थिर करने में मदद की ताकि वे समय के साथ टूट न जाएं। चिटोसन से निर्मित कार्बन की छिद्रपूर्ण प्रकृति ने गैसों और तरल पदार्थों को आसानी से बहने की अनुमति दी, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि सक्रिय स्थल हमेशा सुलभ रहें। कार्बन सपोर्ट और धातु कणों के बीच यह तालमेल एक स्थिर और अत्यधिक सक्रिय प्रणाली बनाता है।

इस नए उत्प्रेरक के लिए अंतिम परीक्षण एक कामकाजी जिंक-एयर बैटरी बनाना और यह देखना था कि यह कितने समय तक चल सकती है। शोधकर्ताओं ने अपने नए पदार्थ को वायु इलेक्ट्रोड के रूप में और जिंक प्लेट को दूसरी तरफ के रूप में उपयोग करके एक बैटरी असेंबल की। उन्होंने एक स्थिर करंट पर बार-बार चार्जिंग और डिस्चार्जिंग चक्रों के माध्यम से बैटरी चलाई। नया उत्प्रेरक उपयोग करने वाली बैटरी 240 घंटों तक चली और उसके बाद महत्वपूर्ण टूट-फूट के लक्षण दिखाई दिए। इसके विपरीत, मानक प्लैटिनम और एक अन्य महंगी धातु ऑक्साइड के मिश्रण से बनी कंट्रोल बैटरी समान परिस्थितियों में केवल 110 घंटों तक चली। इस परिणाम ने प्रदर्शित किया कि नया, सस्ता पदार्थ न केवल प्रतिक्रियाओं को चलाने में अधिक कुशल था, बल्कि समय के साथ अधिक टिकाऊ भी था। बैटरी ने लंबे समय तक स्थिर वोल्टेज बनाए रखा, जिससे पता चलता कि पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में नया उत्प्रेरक उतनी जल्दी खराब नहीं होता है।

इस कार्य की सफलता विभिन्न घटकों के चतुर एकीकरण में निहित है। शोधकर्ताओं ने केवल सामग्रियों को आपस में मिलाया नहीं; उन्होंने एक ऐसी प्रणाली तैयार की जहाँ बायोमास-व्युत्पन्न कार्बन, कोबाल्ट और निकल सामंजस्य में काम करते हैं। कार्बन ने एक चालक, छिद्रपूर्ण ढांचा प्रदान किया जिसने धातु स्थलों को इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में लाया, जबकि द्वि-धातु फॉस्फाइड ने प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए आवश्यक विशिष्ट रासायनिक गुण प्रदान किए। शुरुआती सामग्री के रूप में चिटोसन का उपयोग एक पर्यावरणीय चिंता को भी संबोधित करता है, जो एक अपशिष्ट उत्पाद को उच्च-तकनीकी घटक में बदल देता है। हालांकि नया उत्प्रेरक प्लैटिनम-आधारित बैटरी के ओपन-सर्किट वोल्टेज से बिल्कुल मेल नहीं खा सका, लेकिन इसका बेहतर चक्र जीवन और कम लागत इसे भविष्य के ऊर्जा भंडारण के लिए एक सम्मोहक विकल्प बनाती है। अध्ययन बताता है कि सामान्य धातुओं की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को सावधानीपूर्वक ट्यून करके और उन्हें टिकाऊ कार्बन सामग्रियों के साथ सहारा देकर, दुर्लभ संसाधनों पर निर्भर हुए बिना उच्च-प्रदर्शन वाली बैटरियां बनाना संभव है। यह दृष्टिकोण जिंक-एयर बैटरी को बड़े पैमाने पर नवीकरणीय ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बनाने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।