Graphene Oxide/Cadmium-Doped NiO Nanocomposites as High-Performance Electrode Materials for Supercapacitors

आधुनिक ऊर्जा की दुनिया में, बिजली को संग्रहित करने वाले उपकरणों को शक्ति और सहनशक्ति के बीच एक निरंतर संघर्ष का सामना करना पड़ता है। बैटरियां लंबे समय तक बड़ा चार्ज बनाए रखने में उत्कृष्ट होती हैं, लेकिन वे अक्सर भरने में धीमी होती हैं और यदि उन्हें बहुत अधिक जोर दिया जाए तो जल्दी खराब हो सकती हैं। दूसरी ओर, पारंपरिक कैपेसिटर ऊर्जा को लगभग तुरंत मुक्त कर सकते हैं, लेकिन वे बहुत कम ऊर्जा धारण करते हैं। सुपर-कैपेसिटर इन दोनों के बीच एक आरामदायक संतुलन बनाने का लक्ष्य रखते हैं, जो दोनों तरफ की सर्वश्रेष्ठ खूबियाँ प्रदान करते हैं: तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज होने की क्षमता और साथ ही उपयोगी मात्रा में ऊर्जा को थामे रखने की क्षमता। इन उपकरणों को बेहतर बनाने के लिए, वैज्ञानिक उन सामग्रियों पर ध्यान केंद्रित करते हैं जिनका उपयोग उनके इलेक्ट्रोड बनाने के लिए किया जाता है, जो कि वे भाग हैं जो वास्तव में चार्ज को थामे रखते हैं। लक्ष्य ऐसे पदार्थों को खोजना है जो आयनों और इलेक्ट्रॉनों को तेजी से गति दे सकें, उपयोग के हजारों चक्रों में जीवित रह सकें, और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के होने के लिए एक विशाल सतह क्षेत्र प्रदान कर सकें।

भारत के कई इंजीनियरिंग कॉलेजों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन इलेक्ट्रोड्स को बेहतर बनाने के लिए एक विशिष्ट समाधान पर काम किया है। उन्होंने निकल ऑक्साइड (nickel oxide) पर ध्यान केंद्रित किया, जो ऊर्जा को रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से संग्रहीत करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाने वाला एक सामान्य पदार्थ है, लेकिन यह बिजली का एक खराब सुचालक होने की समस्या से ग्रस्त है। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने ग्राफीन ऑक्साइड (graphene oxide) के साथ मिलकर एक हाइब्रिड सामग्री बनाई, जो कार्बन की एक पतली, लचीली शीट है और बिजली का अच्छा संचालन करती है, और इसमें थोड़ी मात्रा में कैडमियम (cadmium) मिलाया। इन तत्वों को मिलाकर, टीम का लक्ष्य एक ऐसी संरचना बनाना था जो अत्यधिक सुचालक और रासायनिक रूप से सक्रिय हो, और अकेले निकल ऑक्साइड की तुलना में काफी अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने में सक्षम हो।

शोधकर्ताओं ने पहले निकल और कार्बनिक अणुओं का उपयोग करके एक जटिल प्रिकर्सर (precursor) संरचना विकसित की, जिसे बाद में ग्राफीन ऑक्साइड की शीटों के साथ मिलाया गया। इस प्रक्रिया के दौरान उन्होंने निकल ऑक्साइड की आंतरिक संरचना को बदलने के लिए कैडमियम जोड़ा। मिश्रण को उच्च तापमान पर गर्म करने के बाद, कार्बनिक हिस्से जलकर निकल गए, जिससे कैडमियम-डोपेड निकल ऑक्साइड नैनोकणों का एक छिद्रपूर्ण नेटवर्क पीछे रह गया जो ग्राफीन शीटों से मजबूती से जुड़ा हुआ था। यह प्रक्रिया यह सुनिश्चित करने के लिए डिज़ाइन की गई थी कि धातु ऑक्साइड के कण छोटे और फैले हुए रहें, जिससे उन्हें आपस में जुड़ने (clumping) से रोका जा सके, जो अक्सर होता है और प्रदर्शन को कम कर देता है। परिणामी सामग्री एक स्पंज की तरह दिखती थी जो सूक्ष्म धातु कणों से बनी थी और एक सुचालक कार्बन जाल से चिपकी हुई थी।

जब टीम ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे तकनीकों के साथ सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि ग्राफीन और कैडमियम के समावेश ने सफलतापूर्वक सामग्री के भौतिक गुणों को बदल दिया है। निकल ऑक्साइड के कण सामान्य से बहुत छोटे थे, जो केवल लगभग ग्यारह नैनोमीटर चौड़े थे, जबकि शुद्ध निकल ऑक्साइड में यह लगभग बीस नैनोमीटर के करीब होते हैं। आकार में इस कमी का अर्थ था कि इलेक्ट्रोलाइट आयनों के संपर्क में आने के लिए अधिक सतह क्षेत्र उपलब्ध था। इसके अलावा, कैडमियम की उपस्थिति ने निकल ऑक्साइड की क्रिस्टल संरचना के भीतर सूक्ष्म विकृतियाँ और दोष पैदा किए। ये खामियां, जो सुनने में दोष लग सकती हैं, वास्तव में विद्युत आवेश के लिए अतिरिक्त प्रवेश बिंदु के रूप में कार्य करती थीं, जिससे सामग्री के लिए ऊर्जा भंडारण प्रक्रिया में भाग लेना आसान हो गया।

विद्युत परीक्षणों ने पुष्टि की कि इन भौतिक परिवर्तनों से प्रदर्शन में नाटकीय सुधार हुआ। जब इस नए कंपोजिट का उपयोग सुपर-कैपेसिटर में इलेक्ट्रोड के रूप में किया गया, तो इसने 1162 फैराड प्रति ग्राम की विशिष्ट धारिता (specific capacitance) प्रदर्शित की। यह इस बात का माप है कि सामग्री अपने वजन के सापेक्ष कितनी चार्ज धारण कर सकती है। तुलना के लिए, बिना ग्राफीन या कैडमियम एडिटिव्स के शुद्ध निकल ऑक्साइड ने काफी कम चार्ज धारण किया। नई सामग्री ने उत्कृष्ट गति भी दिखाई; यह अपनी ऊर्जा भंडारण क्षमता खोए बिना तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज हो सकती थी। यहाँ तक कि जब शोधकर्ताओं ने डिवाइस को उच्च गति पर चलाया, तब भी सामग्री ने एक मजबूत प्रतिक्रिया बनाए रखी, जो यह संकेत देता कि ग्राफीन शीटों ने इलेक्ट्रॉनों के यात्रा करने के लिए एक तेज़ राजमार्ग प्रदान किया, जबकि कैडमियम-डोपेड कणों ने रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए पर्याप्त स्थान प्रदान किया।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए, यह सामग्री अविश्वसनीय रूप से टिकाऊ साबित हुई। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि यह समय के साथ कैसा प्रदर्शन करती है, डिवाइस को पांच हजार चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के माध्यम से चलाया। इन सभी चक्रों के बाद, इलेक्ट्रोड ने अपनी मूल क्षमता का 94 प्रतिशत बरकरार रखा। स्थिरता का यह उच्च स्तर बताता है कि ग्राफीन शीटों ने एक लचीले मचान (scaffold) के रूप में कार्य किया, जिसने धातु के कणों को उनकी जगह पर बनाए रखा और बार-बार चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान होने वाले विस्तार और संकुचन के दौरान उन्हें टूटने या अलग होने से बचाया। चालक कार्बन नेटवर्क और रासायनिक रूप से उन्नत निकल ऑक्साइड का संयोजन एक ऐसी प्रणाली बना रहा जहाँ संपूर्ण, अपने हिस्सों के योग से कहीं अधिक श्रेष्ठ था।

हालाँकि यह अध्ययन इस विशिष्ट संयोजन की सफलता पर प्रकाश डालता है, लेकिन यह कैडमियम के उपयोग के लिए आवश्यक सावधानीपूर्वक रख-रखाव को भी स्वीकार करता है, जो एक जहरीली भारी धातु है। शोधकर्ताओं ने इसका उपयोग केवल एक संरचनात्मक संशोधक के रूप में बहुत कम और नियंत्रित मात्रा में किया, न कि प्राथमिक घटक के रूप में, जिसका उद्देश्य प्रदर्शन और सुरक्षा के बीच संतुलन बनाना था। निष्कर्ष बताते हैं कि धातु ऑक्साइड और कार्बन सामग्रियों के बीच के इंटरफेस को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, प्रत्येक घटक की प्राकृतिक सीमाओं को दूर करना संभव है। परिणाम एक मजबूत, उच्च-प्रदर्शन वाला इलेक्ट्रोड है जो अगली पीढ़ी के पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिक वाहनों को शक्ति देने में मदद कर सकता है, जो ऊर्जा को लंबे समय तक तेजी से और विश्वसनीय रूप से संग्रहीत करने का एक तरीका प्रदान करता है।