Sustainable synthesis of Na2FeSiO4 using rice husk-derived silica: effect of calcination temperature on phase formation and electrical properties

हमारे फोन और कारों को शक्ति देने वाली बैटरियां एक सरल लेकिन कठिन सिद्धांत पर निर्भर करती हैं: आयन, जो कि छोटे आवेशित परमाणु होते हैं, उन्हें दो इलेक्ट्रोडों के बीच स्वतंत्र रूप से आगे-पीछे जाने में सक्षम होना चाहिए। इन उपकरणों की अगली पीढ़ी के लिए, वैज्ञानिक सोडियम-आयन बैटरियों को आज के बाजार में हावी लिथियम-आयन बैटरियों के एक सस्ते और अधिक प्रचुर विकल्प के रूप में देख रहे हैं। इन बैटरियों के अच्छी तरह काम करने के लिए, उनके अंदर की सामग्री को एक मजबूत ढांचे की आवश्यकता होती है जो सोडियम आयनों को बिना टूटे थाम सके, और साथ ही यह भी सुनिश्चित करे कि बिजली आसानी से इसके माध्यम से प्रवाहित हो सके। इस भूमिका के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार सोडियम आयरन ऑर्थोसिलिकेट नामक एक यौगिक है। यह सिलिकॉन, आयरन, सोडियम और ऑक्सीजन से बना है जो एक विशिष्ट त्रि-आयामी संरचना में व्यवस्थित हैं। हालांकि, इस सामग्री को बनाने के लिए पारंपरिक रूप से महंगी रासायनिक सामग्रियों और ऊर्जा-गहन प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है, जो इसके व्यापक उपयोग को सीमित करती है।

इंडोनेशिया के यूनिवर्सिटास लंपंग के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस सामग्री को एक सामान्य कृषि अपशिष्ट उत्पाद: धान की भूसी (राइस हस्क) का उपयोग करके बनाने का तरीका खोज निकाला है। धान की भूसी चावल के दानों का कठोर बाहरी आवरण है, जिसे आमतौर पर मिलिंग के बाद छोड़ दिया जाता है। ये भू्सियाँ सिलिका से भरपूर होती हैं, वही सामग्री जो रेत और कांच में पाई जाती है। शोधकर्ताओं ने पूछा कि क्या वे इस कचरे को बैटरी सामग्री के लिए एक उच्च गुणवत्ता वाले प्रिकर्सर (पूर्वगामी) में बदल सकते हैं, और यदि हां, तो अंतिम उत्पाद बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले ताप उपचार (हीट ट्रीटमेंट) से इसके गुणों में क्या परिवर्तन होगा। उन्होंने इस सामग्री को एक ऐसी विधि से संश्लेषित किया जिसमें धान की भूसी के सिलिका को अन्य रसायनों के साथ मिलाकर एक जेल बनाया जाता है, जिसे फिर सुखाया और गर्म किया जाता है। सामग्री को 500 से 800 डिग्री सेल्सियस तक के विभिन्न तापमानों पर गर्म करके, उन्होंने देखा कि सामग्री की आंतरिक संरचना कैसे बदली और इसकी विद्युत चालकता कितनी बेहतर हुई।

अध्ययन की शुरुआत धान की भूसी से शुद्ध सिलिका निकालने के साथ हुई। शोधकर्ताओं ने सिलिका को घोलने के लिए भू्सियों को एक मजबूत क्षारीय घोल में उबाला, फिर इसे जेल के रूप में ठोस बनाने के लिए एसिड मिलाया। इस जेल को सुखाने और महीन पाउडर में पीसने के बाद, उन्होंने इसे सोडियम हाइड्रोक्साइड, आयरन नाइट्रेट और साइट्रिक एसिड के साथ मिलाया। इस मिश्रण को पानी को वाष्पित करने के लिए गर्म किया गया, जिससे पीछे एक ठोस प्रिकर्सर रह गया। फिर इस प्रिकर्सर को एक भट्टी में रखा गया और चार अलग-अलग तापमानों: 500, 600, 700 और 800 डिग्री सेल्सियस पर दस घंटों के लिए गर्म किया गया। लक्ष्य यह देखना था कि गर्मी ने इस अव्यवस्थित मिश्रण को बैटरी कैथोड के लिए आवश्यक व्यवस्थित क्रिस्टल संरचना में कैसे परिवर्तित किया।

जब शोधकर्ताओं ने नमूनों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि वांछित सोडियम आयरन ऑर्थोसिलिकेट सभी तापमानों पर सफलतापूर्वक बना, लेकिन जैसे-जैसे गर्मी बढ़ी, क्रिस्टल की गुणवत्ता में सुधार हुआ। 500 डिग्री सेल्सियस के सबसे निचले तापमान पर, सामग्री में सही घटक तो थे लेकिन वह कुछ हद तक अव्यवस्थित थी, जिसमें कई सूक्ष्म अंतराल और अनियमित आकार थे। जैसे-जैसे तापमान 800 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ा, परमाणुओं ने खुद को एक बहुत ही सघन, अधिक पूर्ण क्रिस्टल जाली (लैटिस) में पुनर्गठित कर लिया। कण अधिक सघन हो गए और आंतरिक संरचना अधिक एकसमान हो गई। इस प्रक्रिया के कारण सामग्री ने अपनी सतह पर चिपके हुए पानी के अणुओं को भी खो दिया, एक ऐसा परिवर्तन जिसने पुष्टि की कि गर्मी अशुद्धियों को बाहर निकाल रही थी और क्रिस्टल को बढ़ने में मदद कर रही थी।

इन संरचनात्मक परिवर्तनों के साथ-साथ, सामग्री के विद्युत गुणों में एक आश्चर्यजनक बदलाव आया। शोधकर्ताओं ने मापा कि सामग्री के माध्यम से बिजली कितनी आसानी से गुजर सकती है और पाया कि 500 डिग्री सेल्सियस पर गर्म किया गया नमूना उच्च तापमान पर गर्म किए गए नमूनों की तुलना में बिजली का बेहतर संचालन करता था। 800 डिग्री पर गर्म किया गया सबसे अत्यधिक क्रिस्टलीकृत नमूना वास्तव में सबसे खराब चालक था। यह विरोधाभासी लग सकता है, क्योंकि कोई उम्मीद कर सकता है कि एक अधिक पूर्ण क्रिस्टल बिजली का बेहतर संचालन करेगा। हालांकि, शोधकर्ताओं ने समझाया कि कम तापमान वाले नमूने में अभी भी कई संरचनात्मक खामियां और कणों की कम सघन व्यवस्था मौजूद थी। इन खामियों ने ऐसे मार्ग बनाए जो चार्ज को सामग्री के माध्यम से चलने में मदद करते थे। इसके विपरीत, उच्च तापमान वाले नमूने में एक अधिक पूर्ण संरचना थी, लेकिन इस पूर्णता के साथ इसके इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं के बीच एक व्यापक ऊर्जा अंतराल भी आया, जिससे बिजली का प्रवाह कठिन हो गया।

अध्ययन ने सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा, जिसे ऑप्टिकल बैंड गैप कहा जाता है, का भी अध्ययन किया। यह मान तापमान बढ़ने के साथ लगातार बढ़ता गया, जो 500 डिग्री पर 2.38 इलेक्ट्रॉन वोल्ट से बढ़कर 800 डिग्री पर 2.87 इलेक्ट्रॉन वोल्ट हो गया। यह वृद्धि क्रिस्टल में देखी गई संरचनात्मक कसावट के अनुरूप है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि जबकि उच्च-तापमान वाले नमूने संरचनात्मक रूप से अधिक पूर्ण थे, वे बिजली के संचालन के लिए कम प्रभावी थे। विद्युत चालकता के लिए सबसे अच्छा संतुलन निम्न तापमान पर पाया गया, जहाँ सामग्री अभी भी कुछ हद तक अव्यवस्थित थी। यह सुझाव देता है कि इस विशिष्ट सामग्री के लिए, थोड़ी सी संरचनात्मक खामी वास्तव में चार्ज को स्थानांतरित करने के लिए फायदेमंद हो सकती है।

अंततः, यह शोध प्रदर्शित करता है कि धान की भूसी सोडियम आयरन ऑर्थोसिलिकेट बनाने के लिए एक व्यवहार्य और टिकाऊ स्रोत है। इस कृषि अपशिष्ट का उपयोग करके, यह प्रक्रिया पारंपरिक रासायनिक पूर्वगामियों की उच्च लागत और पर्यावरणीय प्रभाव से बचती है। अध्ययन से पता चलता है कि हालांकि उच्च तापमान अधिक व्यवस्थित क्रिस्टल संरचना बनाते हैं, लेकिन वे आवश्यक रूप से बैटरी के लिए आवश्यक विद्युत प्रदर्शन में सुधार नहीं करते हैं। इसके बजाय, इष्टतम गुण क्रिस्टल क्रम और चार्ज परिवहन में सहायता करने वाली संरचनात्मक विशेषताओं की उपस्थिति के बीच एक सावधानीपूर्वक संतुलन पर निर्भर करते हैं। यह कार्य भविष्य के ऊर्जा भंडारण के लिए एक कार्यात्मक घटक बनाने के लिए एक सामान्य अपशिष्ट उत्पाद को बदलने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जो यह सिद्ध करता है कि स्थिरता और प्रदर्शन एक साथ चल सकते हैं।