Optimization and Electrochemical Evaluation of PVA assisted Electrospun Polyindole Nanofibers for Supercapacitors

दुनिया की ऊर्जा की भूख उस गति से बढ़ रही है जिस गति से हम इसे स्वच्छ रूप से उत्पन्न कर सकते हैं। जबकि पवन और सौर जैसे नवीकरणीय स्रोत आवश्यक हैं, वे अक्सर अप्रत्याशित होते हैं, जिससे एक अंतराल रह जाता है जिसे भरने की आवश्यकता है। इस अंतर को पाटने के लिए, वैज्ञानिक ऊर्जा भंडारण प्रणालियों पर भरोसा करते हैं। पारंपरिक बैटरियां शक्तिशाली होती हैं लेकिन चार्ज होने में धीमी होती हैं और विफल होने से पहले केवल कुछ ही बार उपयोग की जा सकती हैं। सुपरकैपेसिटर एक अलग मार्ग प्रदान करते हैं: वे सेकंडों में चार्ज और डिस्चार्ज हो सकते हैं और सैकड़ों हजारों चक्रों तक चल सकते हैं, हालांकि वे आमतौर पर कुल ऊर्जा कम संग्रहीत करते हैं। उन्हें बेहतर बनाने की कुंजी उन सामग्रियों में निहित है जिनका उपयोग उन्हें बनाने के लिए किया जाता है। विशेष रूप से, शोधकर्ता कंडक्टिंग पॉलिमर (चालक बहुलक)—ऐसे प्लास्टिक जो धातुओं की तरह बिजली ले जा सकते हैं—पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं। ये सामग्रियां लचीली होती हैं और इन्हें बहुत अधिक चार्ज धारण करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है, लेकिन अपने मानक, ठोस रूपों में ये अक्सर स्थिरता और सतह क्षेत्र (surface area) के मामले में संघर्ष करती हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक इन पॉलिमर को सूक्ष्म, धागे जैसी संरचनाओं में बदलने का प्रयास कर रहे हैं जो इलेक्ट्रोलाइट के लिए अधिक सतह क्षेत्र को उजागर करती हैं, जिससे तेज़ और अधिक कुशल ऊर्जा भंडारण संभव हो सके।

हाल ही में एक अध्ययन में, भारत के शोधकर्ताओं की एक टीम ने पॉलीइंडोल नामक एक पॉलिमर का उपयोग करके एक नए प्रकार का इलेक्ट्रोड बनाकर इस चुनौती का सामना किया। पॉलीइंडोल एक ऐसी सामग्री है जो अपनी स्थिरता और ऊर्जा संग्रहीत करने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं करने की क्षमता के लिए जानी जाती है, लेकिन इसके साथ काम करना अत्यंत कठिन है क्योंकि यह आसानी से घुलता नहीं है और कठोर श्रृंखलाएं बनाता है। इन भौतिक बाधाओं को दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रोस्पिनिंग नामक तकनीक का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि एक मशीन उच्च-वोल्टेज विद्युत क्षेत्र के माध्यम से तरल पॉलिमर की एक धारा छोड़ती है, जो कलेक्टर पर गिरने तक उसे अविश्वसनीय रूप से महीन धागों में खींच देती है। इस प्रक्रिया के लिए आमतौर पर एक "वाहक" (carrier) पॉलिमर की आवश्यकता होती है ताकि कठिन सामग्री सुचारू रूप से बह सके। टीम ने यह देखने के लिए पॉलीइंडोल को पॉलीविनाइल अल्कोहल, जो एक सामान्य और स्थिर प्लास्टिक है, के साथ विभिन्न अनुपातों में मिलाया कि कौन सा मिश्रण सबसे अच्छे धागे बनाएगा। उन्होंने इन मिश्रणों को नैनोफाइबर के एक गैर-बुने हुए मैट (non-woven mat) में बुना, जो ऐसे रेशे हैं जो इतने पतले होते हैं कि उन्हें नैनोमीटर में मापा जाता है, जो लगभग एक एकल वायरस की चौड़ाई के बराबर है।

शोधकर्ताओं ने इन फाइबर मैट के तीन अलग-अलग संस्करण बनाए, जिनमें से प्रत्येक में वाहक प्लास्टिक और सक्रिय पॉलीइंडोल का थोड़ा अलग संतुलन था। उन्होंने फिर अपनी रचनाओं की भौतिक और रासायनिक संरचना की जांच की। एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके, उन्होंने पुष्टि की कि पॉलीइंडोल सही ढंग से बना था, जो एक कठोर क्रिस्टल के बजाय एक अव्यवस्थित, एमोर्फस (amorphous) संरचना के रूप में दिखाई दिया। यह कठोर क्रम की कमी वास्तव में फायदेमंद है, क्योंकि यह आयनों को सामग्री के माध्यम से अधिक स्वतंत्र रूप से चलने की अनुमति देता है। उन्होंने रासायनिक बंधों की जांच करने के लिए इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी का भी उपयोग किया, जिससे यह सत्यापित हुआ कि पॉलीइंडोल की आणविक संरचना बरकरार रही और पॉलीमराइजेशन की प्रक्रिया सफल रही। जब उन्होंने एक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे रेशों को देखा, तो उन्हें वही दिखा जिसकी वे उम्मीद कर रहे थे: चिकने, बिना दानों वाले धागों का एक समान नेटवर्क। रेशों की मोटाई 200 से 300 नैनोमीटर के बीच थी। यह विशिष्ट आकार और यादृच्छिक, जाल जैसी व्यवस्था एक विशाल सतह क्षेत्र बनाती है, जो सुपरकैपेसिटर के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह ऊर्जा संग्रहीत करने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं के होने के लिए अधिक स्थान प्रदान करती है।

यह परीक्षण करने के लिए कि ये नए फाइबर ऊर्जा भंडारण उपकरणों के रूप में कितने प्रभावी ढंग से कार्य करते हैं, टीम ने छोटे इलेक्ट्रोड बनाए और उन्हें एक तरल इलेक्ट्रोलाइट समाधान में डुबो दिया। उन्होंने यह मापने के लिए कि सामग्री कितना चार्ज रख सकती है और कितनी तेजी से इसे छोड़ सकती है, परीक्षणों की एक श्रृंखला चलाई। परिणामों ने दिखाया कि वाहक प्लास्टिक और पॉलीइंडोल के बीच का संतुलन महत्वपूर्ण था। एक विशिष्ट मिश्रण, जिसमें पॉलीइंडोल की मध्यम मात्रा थी, अन्य की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करता था। यह सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने वाला इलेक्ट्रोड 387 फैराड प्रति ग्राम की विशिष्ट धारिता (specific capacitance) को संग्रहीत कर सकता है, जो यह मापता है कि सामग्री अपने वजन के सापेक्ष कितनी विद्युत शक्ति धारण कर सकती है। यहाँ तक कि जब शोधकर्ताओं ने तेज गति पर परीक्षण किया, जो तीव्र चार्ज या डिस्चार्ज का अनुकरण करता है, तब भी सामग्री ने अपनी क्षमता का एक बड़ा हिस्सा बनाए रखा। अन्य दो मिश्रणों ने, जिनमें सक्रिय पॉलिमर या तो बहुत अधिक था या बहुत कम, उतना अच्छा प्रदर्शन नहीं किया। जिस मिश्रण में सबसे अधिक पॉलीइंडोल था, उसने वास्तव में खराब प्रदर्शन किया, संभवतः इसलिए क्योंकि रेशे बहुत मोटे और आपस में गुच्छेदार हो गए थे, जिससे आयनों का प्रवाह बाधित हुआ।

अध्ययन ने यह भी देखा कि सामग्री के माध्यम से बिजली कितनी आसानी से चलती है और फाइबर नेटवर्क के भीतर आयन कैसे यात्रा करते हैं। परीक्षणों से पता चला कि बिजली के प्रवाह के प्रति प्रतिरोध कम था, और आयन बिना किसी परेशानी के छिद्रपूर्ण फाइबर मैट में गहराई तक प्रवेश कर सकते थे। अत्यधिक सुलभ सतह क्षेत्र और कुशल आयन गति का यह संयोजन बताता है कि अनुकूलित मिश्रण ने इतना अच्छा प्रदर्शन क्यों किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल सामग्री को पाउडर या ठोस ब्लॉक के रूप में छोड़ने के बजाय उसे नैनोफाइबर संरचना में बनाना, इसकी ऊर्जा संग्रहीत करने और छोड़ने की क्षमता में नाटकीय रूप से सुधार करता है। हालांकि अध्ययन ने इन विशिष्ट रेशों के प्रयोगशाला प्रदर्शन पर ध्यान केंद्रित किया, लेकिन निष्कर्ष बताते हैं कि स्पिनिंग प्रक्रिया के दौरान सामग्रियों के अनुपात को सावधानीपूर्वक ट्यून करना सुपरकैपेसिटर को बढ़ाने का एक शक्तिशाली तरीका है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि इन पॉलिमर को महीन धागों में बनाने की भौतिक चुनौतियों को हल करके, ऐसे इलेक्ट्रोड सामग्री बनाना संभव है जो स्थिर और अत्यधिक कुशल दोनों हों, जो अगली पीढ़ी के फास्ट-चार्जिंग ऊर्जा भंडारण उपकरणों के लिए एक आशाजनक दिशा प्रदान करते हैं।