Enhanced Supercapacitive Performance of PANI/CdCrO₃/GO Ternary Nanocomposite: A Comparative Study with GO/CdCrO₃ Superior Electrochemical Performance of the Ternary Electrode
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि हाइड्रोथर्मल और इन सीटू पॉलीमराइजेशन विधियों के माध्यम से संश्लेषित एक टर्नरी PANI/CdCrO₃/GO नैनोकम्पोजिट इलेक्ट्रोड, 1715 Fg⁻¹ का विशिष्ट धारिता (स्पेसिफिक कैपेसिटेंस), 184.4 Wh kg⁻¹ का अधिकतम ऊर्जा घनत्व और 1000 चक्रों के बाद 80% धारिता प्रतिधारण (कैपेसिटेंस रिटेंशन) प्राप्त करके अपने बाइनरी CdCrO₃/GO समकक्ष की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करता है, जो इसे उच्च-प्रदर्शन सुपरकैपेसिटर अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।
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आधुनिक दुनिया में, ऊर्जा की मांग इसे उत्पन्न करने की हमारी क्षमता से अधिक तेजी से बढ़ रही है, जिससे बिजली को संग्रहीत करने के बेहतर तरीकों की तत्काल आवश्यकता पैदा हो गई है। जबकि बैटरियां लंबी अवधि के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा बनाए रखने के लिए उत्कृष्ट हैं, वे अक्सर तब बहुत धीमी होती हैं जब किसी उपकरण को अचानक शक्ति के झोंके (बर्स्ट) की आवश्यकता होती है। दूसरी ओर, मानक कैपेसिटर ऊर्जा को लगभग तुरंत मुक्त कर सकते हैं, लेकिन वे इसे उतनी ही तेजी से खत्म भी कर देते हैं जितनी तेजी से वे इसे देते हैं। वैज्ञानिक 'सुपरकैपेसिटर' नामक एक नए प्रकार के उपकरण को बनाने के लिए काम कर रहे हैं, जिसका उद्देश्य इस अंतर को पाटना है। इन उपकरणों को इस तरह डिज़ाइन किया गया है कि वे बैटरी की तरह काफी मात्रा में ऊर्जा रख सकें लेकिन एक कैपेसिटर की गति से उसे मुक्त कर सकें। सुपरकैपेसिटर को अच्छी तरह से काम करने का रहस्य इसके इलेक्ट्रोडों में उपयोग की जाने वाली सामग्री में छिपा है, जो वे हिस्से हैं जहाँ विद्युत आवेश वास्तव में संग्रहीत होता है। शोधकर्ता लगातार सामग्रियों के ऐसे नए संयोजनों की खोज कर रहे हैं जो अधिक आवेश संग्रहीत कर सकें, लंबे समय तक चल सकें और अधिक कुशलता से बिजली का संचालन कर सकें।
पाकिस्तान और जापान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इन उच्च-प्रदर्शन वाले ऊर्जा भंडारण उपकरणों के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन की गई एक नई, तीन-भाग वाली सामग्री बनाकर इस चुनौती का सामना किया। उन्होंने एक खनिज से शुरुआत की जिसे 'पेरोव्स्काइट' (perovskite) के रूप में जाना जाता है, जो एक प्रकार की क्रिस्टल संरचना है जो स्वाभाविक रूप से आवेश संग्रहीत करने में अच्छी है लेकिन नाजुक और प्रतिक्रिया करने में धीमी हो सकती है। इन कमजोरियों को ठीक करने के लिए, उन्होंने इस खनिज को दो अन्य पदार्थों के साथ मिलाया: ग्राफीन ऑक्साइड, जो कार्बन की एक पतली, मजबूत शीट है जो बिजली का बहुत अच्छा संचालन करती है, और पॉलीएनिलिन (polyaniline) नामक एक चालक प्लास्टिक। इन तीनों सामग्रियों को एक एकल नैनोकम्पोजिट में मिलाकर, टीम ने एक हाइब्रिड सामग्री बनाई जो प्रत्येक घटक की ताकत का लाभ उठाती है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह तीन-तरफा मिश्रण केवल खनिज और कार्बन शीट के सरल दो-तरफा मिश्रण से बेहतर प्रदर्शन कर सकता है।
शोधकर्ताओं ने पहले आधार खनिज, एक कैडमियम क्रोमियम ऑक्साइड क्रिस्टल का संश्लेषण करके शुरुआत की, जिसमें एक ऐसी विधि शामिल है जिसमें रसायनों को एक घोल में तब तक गर्म किया जाता है जब तक कि वे एक ठोस पाउडर के रूप में न बन जाएं। इसके बाद उन्होंने रासायनिक प्रक्रिया के माध्यम से ग्राफीन ऑक्साइड की शीट तैयार की जो ग्रेफाइट को पतली परतों में तोड़ देती है। दो-तरफा मिश्रण बनाने के लिए, उन्होंने बस खनिज पाउडर को कार्बन शीट के साथ मिला दिया। अधिक उन्नत तीन-तरफा मिश्रण के लिए, उन्होंने निर्माण के दौरान सीधे मिश्रण में चालक प्लास्टिक मिला दिया, जिससे प्लास्टिक को खनिज और कार्बन कणों के चारों ओर बढ़ने का मौका मिला। इस प्रक्रिया ने एक ऐसी संरचना बनाई जहाँ खनिज कण कार्बन शीट से मजबूती से जुड़े हुए थे, और पूरे नेटवर्क में चालक प्लास्टिक में लिपटे हुए थे।
जब टीम ने यह परीक्षण करने के लिए इन सामग्रियों का परीक्षण किया कि वे विद्युत आवेश को कितनी अच्छी तरह संग्रहीत और मुक्त कर सकते हैं, तो परिणाम स्पष्ट थे। तीन-भाग वाली सामग्री ने दो-भाग वाले संस्करण की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन किया। अपने परीक्षणों में, नए टर्नरी (ternary) इलेक्ट्रोड ने प्रति ग्राम 1715 यूनिट का विशिष्ट आवेश संग्रहीत किया, जबकि सरल बाइनरी (binary) इलेक्ट्रोड ने समान परिस्थितियों में केवल 802 यूनिट प्रति ग्राम प्रबंधित किया। इसका मतलब है कि नया पदार्थ पुराने डिज़ाइन की तुलना में दोगुनी से अधिक ऊर्जा रख सकता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि चालक प्लास्टिक के जुड़ने से बिजली के प्रवाह के लिए एक बेहतर मार्ग बनाने में मदद मिली, जबकि कार्बन शीट ने आवेश एकत्र करने के लिए एक बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान किया। इस संयोजन ने उपकरण को बहुत अधिक कुशलता से चार्ज और डिस्चार्ज करने की अनुमति दी।
केवल अधिक आवेश रखने के अलावा, नई सामग्री बहुत टिकाऊ भी साबित हुई। लगातार एक हजार बार चार्ज और डिस्चार्ज होने के बाद, तीन-भाग वाले इलेक्ट्रोड ने अपनी मूल ऊर्जा भंडारण क्षमता का 80 प्रतिशत बनाए रखा। स्थिरता का यह स्तर वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सुझाव देता है कि उपकरण बिना घिसे लंबे समय तक चलेगा। परीक्षणों ने यह भी दिखाया कि नया पदार्थ बिजली की उच्च मात्रा को जल्दी से वितरित कर सकता है, जो इस बात को बनाए रखता है कि वह कितनी ऊर्जा रखता है और कितनी तेजी से उसे मुक्त कर सकता है। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि खनिज, कार्बन और प्लास्टिक का यह विशिष्ट संयोजन एक श्रेष्ठ इलेक्ट्रोड बनाता है जो अगली पीढ़ी के पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स और नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों को शक्ति देने में मदद कर सकता है, जो बेहतर ऊर्जा भंडारण की खोज में एक व्यावहारिक कदम है।
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