Graphene-Engineered NiFe-LDH Nanocomposites with Surface- Controlled Charge Storage for High-Performance Supercapacitors

दुनिया ऊर्जा भंडारण के बेहतर तरीकों के लिए भूखी है। जैसे-जैसे हम जीवाश्म ईंधन से दूर और पवन और सौर जैसे नवीकरणीय स्रोतों की ओर बढ़ रहे हैं, हमें ऐसे उपकरणों की आवश्यकता है जो शक्ति के झटकों को पकड़ सकें और उन्हें तुरंत मुक्त कर सकें। सुपरकैपेसिटर (supercapacitors) इस काम के विशेषज्ञ हैं। बैटरी के विपरीत, जो ऊर्जा को धीरे से संग्रहीत करती हैं और इसे लंबे समय तक छोड़ती हैं, सुपरकैसिटर एक धावक की तरह कार्य करते हैं: वे सेकंडों में चार्ज और डिस्चार्ज हो सकते हैं, और जब जरूरत हो तो भारी मात्रा में शक्ति प्रदान कर सकते हैं। हालांकि, उनकी एक कमजोरी है। वे तेज़ तो होते हैं, लेकिन अक्सर बैटरी की तरह बहुत अधिक ऊर्जा नहीं रख पाते, और उन्हें बनाने में उपयोग की जाने वाली सामग्री नाजुक या बिजली का संचालन करने में धीमी हो सकती है। इन उपकरणों को भविष्य के लिए वास्तव में उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो तेज़ और मजबूत दोनों हों, और बार-बार उपयोग के बाद टूटे बिना चार्ज को थामे रखने में सक्षम हों।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक आशाजनक सामग्री जिसे निकल-आयरन लेयर्ड डबल हाइड्रोक्साइड (NiFe-LDH) कहा जाता है, की एक विशिष्ट समस्या को हल करने का प्रयास किया। यह सामग्री रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा संग्रहीत करने में उत्कृष्ट है, लेकिन इसमें दो प्रमुख खामियां हैं। पहला, यह बिजली का एक खराब सुचालक है, जिसका अर्थ है कि ऊर्जा उपकरण को चलाने के लिए बाहर बहने के बजाय सामग्री के भीतर फंस जाती है। दूसरा, इस सामग्री से बनी छोटी चादरें गीले कागज की तरह आपस में चिपकने लगती हैं, जिससे उन मार्गों में बाधा आती है जिनसे आयनों को यात्रा करनी होती है। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने ग्राफीन (graphene) के एक मचान (scaffold) पर निकल-आयरन की चादरों को सीधे उगाकर एक नई हाइब्रिड सामग्री बनाई। ग्राफीन कार्बन का एक रूप है जो केवल एक परमाणु मोटा होता है लेकिन अविश्वसनीय रूप से मजबूत और सुचालक होता है। पानी में एक सरल हीटिंग प्रक्रिया का उपयोग करके, उन्होंने इन दोनों सामग्रियों को आपस में जोड़ दिया, जिससे एक ऐसी संरचना तैयार हुई जहाँ ग्राफीन बिजली के लिए एक राजमार्ग और ऊर्जा-संग्रहण करने वाली चादरों को एक-दूसरे से चिपके रहने से रोकने वाले स्पैसर के रूप में कार्य करता है।

इस इंजीनियरिंग के परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब शोधकर्ताओं ने अपनी नई मिश्रित सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि ग्राफीन ने सामग्री के प्रदर्शन को बदल दिया था। मूल निकल-आयरन सामग्री एक निश्चित मात्रा में चार्ज संग्रहीत कर सकती थी, लेकिन ग्राफीन के साथ जुड़ने पर, इसकी ऊर्जा धारण करने की क्षमता काफी बढ़ गई। एक मानक परीक्षण गति पर, नई सामग्री ने मूल अपरिवर्तित संस्करण के 400 प्रति ग्राम की तुलना में 953 यूनिट प्रति ग्राम की विशिष्ट क्षमता तक पहुँचते हुए, मूल से दोगुनी से अधिक ऊर्जा संग्रहीत की। यह सुधार केवल अधिक ऊर्जा रखने के बारे में नहीं था; यह इस बारे में भी था कि उस ऊर्जा का उपयोग कितनी तेजी से किया जा सकता है। नया पदार्थ उच्च मांग बढ़ने पर भी अपने उच्च प्रदर्शन को बनाए रखता था, जबकि मूल सामग्री संघर्ष करती थी और अपना चार्ज तेजी से खो देती थी।

इस सफलता का रहस्य इस बात में निहित है कि सामग्री के माध्यम से बिजली और आयन कैसे चलते हैं। मूल निकल-आयरन चादरों में, चार्ज का संचलन धीमा और सुस्त था, जो आयनों के सामग्री में गहराई तक विसरित (diffuse) होने पर निर्भर था, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें समय लगता है और जिससे ऊर्जा की हानि होती है। ग्राफीन ने नियम बदल दिए। क्योंकि ग्राफीन की चादरों ने इलेक्ट्रॉनों के लिए एक तेज़, निरंतर पथ प्रदान किया, इसलिए चार्ज भंडारण एक सतह-स्तरीय प्रक्रिया बन गया। इसका मतलब है कि ऊर्जा को लगभग तुरंत संग्रहीत और मुक्त किया जा सकता था, ठीक उस इंटरफेस पर जहाँ सामग्रियां मिलती हैं, न कि आयनों के गहराई में भटकने का इंतजार करने के बजाय। शोधकर्ताओं ने यह पुष्टि करने के लिए कि बिजली कितनी आसानी से सामग्री के माध्यम से गुजर सकती है, प्रतिरोध को मापा; प्रतिरोध नाटकीय रूप से गिर गया, जिससे सिद्ध हुआ कि ग्राफीन ने सफलतापूर्वक इलेक्ट्रॉनों के लिए एक हाई-स्पीड नेटवर्क बना दिया था।

गति और क्षमता के अलावा, किसी भी ऊर्जा भंडारण उपकरण के लिए सबसे महत्वपूर्ण परीक्षण यह है कि वह कितने समय तक चलता है। सुपरकैपेसिटर से विफल हुए बिना हजारों बार चार्ज और डिस्चार्ज होने की उम्मीद की जाती है। मूल निकल-आयरन सामग्री तेजी से खराब होने लगी, 6,000 चक्रों के बाद अपनी क्षमता का लगभग एक तिहाई हिस्सा खो दिया। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि चादरें आपस में चिपक गईं और बार-बार होने वाले रासायनिक परिवर्तनों के तनाव के कारण सामग्री भौतिक रूप से टूट गई। ग्राफीन-सुदृढ़ संस्करण ने एक अलग कहानी सुनाई। समान 6,000 चक्रों के बाद, इसने अपनी मूल क्षमता का 90 प्रतिशत से अधिक बरकरार रखा। ग्राफीन ने एक लचीले, टिकाऊ कंकाल के रूप में कार्य किया जिसने नाजुक चादरों को अपनी जगह पर बनाए रखा, जिससे उन्हें ढहने या आपस में चिपकने से रोका जा सके। इसने चार्जिंग प्रक्रिया के भौतिक तनाव को अवशोषित किया, जिससे संरचना बरकरार रही और विद्युत मार्ग खुले रहे।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि सामग्रियों को व्यवस्थित करने का तरीका उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि स्वयं सामग्रियां। केवल एक ज्ञात ऊर्जा-संग्रहण यौगिक में ग्राफीन की एक परत जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक सुस्त, नाजुक सामग्री को एक उच्च-प्रदर्शन वाले पावरहाउस में बदल दिया। नया सम्मिश्र (composite) उच्च ऊर्जा भंडारण, तीव्र शक्ति वितरण और असाधारण स्थायित्व का एक दुर्लभ संयोजन प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि बेहतर सुपरकैपेसिटर का मार्ग शायद पूरी तरह से नई रसायनों को आविष्कार करने की आवश्यकता नहीं है, बल्कि मौजूदा रसायनों को मिलाने का सही तरीका खोजने में है। ग्राफीन एक चालक और एक संरक्षक दोनों के रूप में कार्य करता है, यह सुनिश्चित करता है कि निकल-आयरन शीटों के भीतर संग्रहीत ऊर्जा को चक्र दर चक्र, तेजी से और विश्वसनीय रूप से प्राप्त किया जा सके।