Interface-Engineered Ru/WS2/g-C3N4 Mott–Schottky Heterostructure for Efficient OER and Rechargeable Zn–Air Batteries

दुनिया स्वच्छ ऊर्जा को संग्रहीत करने और मुक्त करने के तरीकों की तलाश कर रही है, जो जीवाश्म ईंधन से दूर उन प्रणालियों की ओर बढ़ रही है जो इलेक्ट्रिक कारों से लेकर पूरे शहरों तक को शक्ति प्रदान कर सकें। एक आशाजनक मार्ग मेटल-एयर बैटरी (metal-air batteries) में निहित है, जो विशाल, पुन: चार्ज होने वाले फ्यूल सेल की तरह हैं जो बिजली उत्पन्न करने के लिए हवा से ऑक्सीजन खींचते हैं। हालाँकि, इन बैटरियों के सामने एक कठिन बाधा है: उन्हें रिचार्ज करने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाएं धीमी और अक्षम हैं। विशेष रूप से, चार्जिंग के दौरान ऑक्सीजन छोड़ने की प्रक्रिया, जिसे ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन (oxygen evolution reaction) कहा जाता है, शुरू होने के लिए बहुत अधिक अतिरिक्त ऊर्जा की मांग करती है। यह अक्षमता शक्ति को नष्ट करती है और गर्मी पैदा करती है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक विशेष सामग्रियों की तलाश करते हैं जिन्हें उत्प्रेरक (catalysts) कहा जाता है, जो बिना स्वयं उपभोग हुए प्रतिक्रिया को तेज कर सकते हैं। दशकों से, सबसे अच्छे उत्प्रेरक प्लैटिनम और इरिडियम जैसी दुर्लभ, महंगी धातुओं से बने रहे हैं। लेकिन ये सामग्रियां दुर्लभ हैं और अक्सर जल्दी खराब हो जाती हैं, जिससे वे व्यापक उपयोग के लिए अव्यवहारिक हो जाती हैं। चुनौती, फिर, एक ऐसी सामग्री खोजने की है जो प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हो, टिकाऊ हो, और बैटरी के भीतर कठोर रासायनिक वातावरण को संभालने में सक्षम हो और इलेक्ट्रॉन्स का सटीक मार्गदर्शन कर सके।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक नया प्रकार का उत्प्रेरक बनाकर इस समस्या का समाधान किया जो तीन अलग-अलग सामग्रियों को एक एकल, मजबूती से एकीकृत संरचना में जोड़ता है। उन्होंने रुथेनियम (ruthenium) लिया, जो प्लैटिनम की तुलना में सस्ता और अधिक प्रचुर है, और उसे टंगस्टन डाइसल्फाइड (tungsten disulfide) के साथ जोड़ा, जो टंगस्टन और सल्फर से बना एक यौगिक है जो एक सेमीकंडक्टर के रूप में कार्य करता है। इन दोनों घटकों को फिर ग्राफाइटिक कार्बन नाइट्राइड (graphitic carbon nitride) के ढांचे के भीतर स्थापित किया गया, जो कार्बन और नाइट्रोजन से बनी एक सामग्री है जो स्थिरता और इलेक्ट्रॉन्स का संचालन करने की क्षमता के लिए जानी जाती है। लक्ष्य एक "हेटरोस्ट्रक्चर" (heterostructure) बनाना था, जो एक ऐसे सम्मिश्र का वर्णन करता है जहाँ विभिन्न सामग्रियां एक सीमा पर मिलती हैं। इस सीमा पर, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक संपर्क को इंजीनियर किया, जो एक 'वन-वे वॉल्व' की तरह ट्रैफिक को निर्देशित करने जैसा है, ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि इलेक्ट्रॉन प्रतिक्रिया स्थल की ओर सुचारू रूप से और कुशलता से प्रवाहित हों। इन तीनों घटकों को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, उन्होंने एक ऐसा उत्प्रेरक बनाया जो न केवल ऑक्सीजन छोड़ने वाली प्रतिक्रिया को तेज करता है बल्कि लंबे समय तक उपयोग के दौरान स्थिर भी रहता है।

शोधकर्ताओं ने प्रत्येक घटक को अलग-अलग संश्लेषित करके शुरुआत की। उन्होंने हीटिंग प्रक्रिया के माध्यम से कार्बन नाइट्राइड ढांचा तैयार किया और एक रासायनिक समाधान विधि का उपयोग करके टंगस्टन डाइसल्फाइड बनाया। इसके बाद उन्होंने टंगस्टन डाइसल्फाइड पर रुथेनियम कणों को पेश किया और सब कुछ कार्बन नाइट्राइड के साथ मिला दिया। परिणाम एक जटिल, स्तरित सामग्री थी जहाँ रुथेनियम कण अन्य दो घटकों द्वारा मजबूती से पकड़े गए और समान रूप से वितरित थे। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने देखा कि परतें आपस में जुड़ गई थीं, जिससे एक खुरदरी, बनावट वाली सतह और कई छोटी दरारें बन गईं। यह बनावट महत्वपूर्ण है क्योंकि यह रासायनिक प्रतिक्रियाओं के होने के लिए सतह क्षेत्र का एक विशाल विस्तार प्रदान करती है। विश्लेषण ने पुष्टि की कि रुथेनियम, टंगस्टन, सल्फर, कार्बन और नाइट्रोजन के परमाणु न केवल एक-दूसरे के बगल में बैठे हैं, बल्कि वे सभी मौजूद हैं और एक-दूसरे के साथ मजबूती से परस्पर क्रिया कर रहे हैं।

ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन को संचालित करने की अपनी क्षमता के लिए परीक्षण किए जाने पर, नए उत्प्रेरक ने उल्लेखनीय प्रदर्शन किया। एक मानक प्रयोगशाला परीक्षण में, सामग्री को ऑक्सीजन उत्पादन शुरू करने के लिए बहुत कम अतिरिक्त वोल्टेज, जिसे ओवरपोटेंशियल (overpotential) कहा जाता है, की आवश्यकता थी। विशेष रूप से, इसे एक उपयोगी करंट डेंसिटी तक पहुँचने के लिए केवल 209 मिलीवोल्ट की आवश्यकता थी, जो कि व्यक्तिगत घटकों या कुछ महंगी व्यावसायिक उत्प्रेरकों द्वारा आवश्यक मात्रा से काफी कम है। जैसे-जैसे अधिक वोल्टेज लगाया गया, प्रतिक्रिया की गति भी बहुत तेज हो गई, जो यह दर्शाता है कि इलेक्ट्रॉन बहुत कम प्रतिरोध के साथ सामग्री के माध्यम से चल रहे थे। शोधकर्ताओं ने उत्प्रेरक की सतह पर विद्युत प्रतिरोध को मापा और पाया कि यह परीक्षण की गई अन्य सामग्रियों की तुलना में बहुत कम था, जिससे पुष्टि हुई कि तीनों घटकों के बीच का इंटरफेस तीव्र इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को सुगम बना रहा है। इसके अलावा, उत्प्रेरक टिकाऊ भी साबित हुआ, जिसने बिना किसी महत्वपूर्ण गिरावट के 100 घंटों के निरंतर संचालन के दौरान अपना प्रदर्शन बनाए रखा, जो एक संकेत है कि संरचना कठोर रासायनिक स्थितियों के विरुद्ध मजबूती से टिकी हुई है।

यह देखने के लिए कि क्या यह सामग्री वास्तविक दुनिया के उपकरण में काम कर सकती है, टीम ने नए उत्प्रेरक को एयर इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोग करके एक पुन: चार्ज होने वाली जिंक-एयर बैटरी बनाई। बैटरी ने 1.48 वोल्ट के साथ शुरुआत की, जो इसकी शक्ति उत्पन्न करने की क्षमता का एक मजबूत संकेतक है। डिस्चार्ज के दौरान, बैटरी ने 811 मिलीएम्पियर-घंटे प्रति ग्राम जिंक की विशिष्ट क्षमता प्रदान की, जो इस प्रकार की बैटरी के सैद्धांतिक अधिकतम के बहुत करीब है। इसका मतलब है कि सामग्री ने जिंक ईंधन का कुशलतापूर्वक उपयोग किया। बैटरी ने 161 मिलीवाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर का पीक पावर डेंसिटी भी उत्पन्न किया, जो जरूरत पड़ने पर ऊर्जा तेजी से देने की इसकी क्षमता को प्रदर्शित करता है। शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि बैटरी 200 घंटों तक बिना विफल हुए बार-बार चार्ज और डिस्चार्ज होने में सक्षम रही, जो यह दर्शाता है कि उत्प्रेरक दीर्घकालिक चक्रण के तनाव को सहन कर सकता है। ये परिणाम बताते हैं कि सामग्रियों का संयोजन सफलतापूर्वक बैटरी को रिचार्ज करने के लिए आवश्यक रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए एक स्थिर और कुशल मार्ग बनाने में सफल रहा।

यह समझने के लिए कि यह विशिष्ट संयोजन इतना अच्छा क्यों काम कर रहा था, शोधकर्ताओं ने परमाणुओं के सतह व्यवहार को मॉडल करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। सिमुलेशन से पता चला कि रुथेनियम परमाणु प्राथमिक स्थल के रूप में कार्य करते हैं जहाँ ऑक्सीजन अणु बनते हैं। हालांकि, आसपास की सामग्रियां इन रुथेनियम परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को ट्यून करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं। कार्बन नाइट्राइड ढांचा और टंगस्टन डाइसल्फाइड परत मिलकर रुथेनियम के आसपास इलेक्ट्रॉन घनत्व को बदलने का काम करते हैं, जिससे ऑक्सीजन मध्यवर्ती (intermediates) का प्रतिक्रिया के दौरान जुड़ना और अलग होना आसान हो जाता है। इस इलेक्ट्रॉनिक ट्यूनिंग ने प्रक्रिया के सबसे धीमे चरण के लिए ऊर्जा बाधा को कम कर दिया, जिससे उस बाधा को प्रभावी ढंग से हटाया जा सका जो आमतौर पर प्रतिक्रिया की गति को सीमित करती है। सिमुलेशन ने यह भी दिखाया कि इलेक्ट्रॉन कार्बन नाइट्राइड से, टंगस्टन डाइसल्फाइड के माध्यम से, और अंत में रुथेनियम तक दिशात्मक रूप से प्रवाहित होते हैं, जो शोधकर्ताओं द्वारा डिजाइन किए गए इंजीनियर आंतरिक विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति की पुष्टि करता है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह इंजीनियर किया गया इंटरफेस ही इस सामग्री की सफलता की कुंजी है। एक धातु, एक सेमीकंडक्टर और एक कंडक्टिव कार्बन ढांचे को एक साथ लाकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई है जहाँ संपूर्ण अपने हिस्सों के योग से भी बड़ा है। रुथेनियम सक्रिय स्थल प्रदान करता है, टंगस्टन डाइसल्फाइड इलेक्ट्रॉन्स का संचालन करने में मदद करता है, और कार्बन नाइट्राइड संरचना को स्थिरता प्रदान करने के साथ-साथ चार्ज ट्रांसफर को सुगम बनाता है। यह तालमेल उत्प्रेरक को ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन और ऑक्सीजन रिडक्शन रिएक्शन दोनों में कुशलता से कार्य करने की अनुमति देता है, जिससे यह एक सच्चा द्वि-कार्यात्मक (bifunctional) उत्प्रेरक बन जाता है जो मेटल-एयर बैटरी में चार्जिंग और डिस्चार्जिंग दोनों को संभाल सकता है। जबकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि व्यावहारिक, बड़े पैमाने के अनुप्रयोगों के लिए दीर्घकालिक स्थिरता में और सुधार की आवश्यकता है, ये निष्कर्ष भविष्य की ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के डिजाइन के लिए एक स्पष्ट और आशाजनक दिशा प्रदान करते हैं। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि सामग्रियों के बीच के इंटरफेस को सावधानीपूर्वक हेरफेर करके, पारंपरिक उत्प्रेरकों की सीमाओं को पार करना और कुशल, टिकाऊ ऊर्जा के भविष्य के करीब पहुंचना संभव है।