Thymol–Menthol Deep Eutectic Solvent as a Functional Additive for PEO-Based Solid Polymer Electrolytes
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सॉल्यूशन कास्टिंग के माध्यम से पॉलीइथाइलीन ऑक्साइड (PEO) मैट्रिक्स में एक थाइमोल-मेंथॉल डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट (विशेष रूप से 1:4 के अनुपात में) को शामिल करने से अंतरआणविक हाइड्रोजन बॉन्डिंग बढ़ती है और परिणामी सॉलिड पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट की आयनिक चालकता में महत्वपूर्ण सुधार होता है।
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सुरक्षित और अधिक कुशल बैटरी की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से उन तरल इलेक्ट्रोलाइट्स से परे देख रहे हैं जो आज के उपकरणों को शक्ति प्रदान करते हैं। हालांकि तरल पदार्थ अच्छी तरह से काम करते हैं, लेकिन उनमें रिसाव, वाष्पीकरण और ज्वलनशीलता के जोखिम होते हैं। इसने सॉलिड पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट्स की ओर बदलाव को प्रेरित किया है, जो प्लास्टिक की लचीली शीट होती हैं जो तरल के खतरों के बिना बिजली का संचालन कर सकती हैं। इन शीटों के लिए सबसे आम सामग्री एक पॉलीमर है जिसे पॉलीइथाइलीन ऑक्साइड कहा जाता है। हालांकि, इस सामग्री में एक जिद्दी कमजोरी है: यह कमरे के तापमान पर बहुत सख्त और कठोर होती है, जिससे आयनों—उन छोटे आवेशित कणों जिन्हें ऊर्जा ले जाने के लिए उपयोग किया जाता है—के लिए इसके माध्यम से तेजी से गुजरना कठिन हो जाता है। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ता अक्सर प्लास्टिक को नरम करने या ऐसी चीजें मिलाने की कोशिश करते हैं जो आयनों को आसानी से फिसलने में मदद करें, लेकिन एक ऐसा सही योज्य (additive) ढूंढना जो प्रभावी भी हो और पर्यावरण के अनुकूल भी, एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है।
मलेशिया के शोधकर्ताओं की एक टीम ने समाधान के लिए प्रकृति की ओर मुड़कर इस समस्या के प्रति एक नया दृष्टिकोण अपनाया है। उन्होंने 'डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट' नामक मिश्रण के एक विशिष्ट प्रकार की जांच की, जिसे दो सामान्य, प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले यौगिकों: थाइमोल (जो थाइम में पाया जाता है) और मेंथॉल (जो पुदीने में पाया जाने वाला शीतलता कारक है) को मिलाकर बनाया गया है। जब विशिष्ट अनुपातों में मिलाया जाता है, तो ये दोनों ठोस पदार्थ मिलकर कमरे के तापमान पर एक स्पष्ट, स्थिर तरल बनाते हैं, जो पारंपरिक रसायनों की विषाक्तता के बिना एक विलायक (solvent) की तरह व्यवहार करते हैं। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए प्रयोग किया कि क्या इस हरित तरल का उपयोग पॉलीइथाइलीन ऑक्साइड की सख्त शीटों को नरम करने और बिजली के संचालन की उनकी क्षमता को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है।
टीम ने इस थाइमोल-मेंथॉल तरल के कई संस्करण बनाना शुरू किया, जिसमें दोनों सामग्रियों के विभिन्न अनुपातों का परीक्षण किया गया ताकि सबसे स्थिर रूप पाया जा सके। उन्होंने अणुओं के बीच की परस्पर क्रिया को समझने के लिए घनत्व और सतह तनाव जैसे भौतिक गुणों को मापा। उन्होंने पाया कि चार भाग मेंथॉल और एक भाग थाइमोल वाले मिश्रण ने सबसे कम घनत्व और सतह तनाव बनाया, जो एक बहुत ही व्यवस्थित और तरल आणविक संरचना का संकेत देता है। बैटरी सामग्री में इस तरल को मिलाने से पहले, उन्होंने पुष्टि की कि पॉलीइथाइलीन ऑक्साइड इसमें घुल सकता है, जिससे वह फूल गया और एक पारभासी जेल में बदल गया, जो यह दर्शाता था कि दोनों पदार्थ संगत हैं और संयोजन के लिए तैयार हैं।
इसके बाद, शोधकर्ताओं ने पॉलीइथाइलीन ऑक्साइड में तरल योज्य को मिलाकर एक नई ठोस फिल्म बनाई। आणविक स्तर पर क्या हो रहा है, इसे समझने के लिए उन्होंने 'फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी' नामक तकनीक का उपयोग किया, जो रसायनों के लिए एक फिंगरप्रिंट स्कैनर की तरह कार्य करती है। परिणामों ने दिखाया कि थाइमोल और मेंथॉल के हाइड्रॉक्सिल समूह पॉलीमर श्रृंखलाओं में ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ मजबूत बंधन बना रहे थे। यह परस्पर क्रिया महत्वपूर्ण थी क्योंकि इसका अर्थ था कि योजक केवल सतह पर नहीं बैठा था बल्कि प्लास्टिक की संरचना में गहराई से एकीकृत था, जो प्रभावी रूप से पॉलीमर श्रृंखलाओं की एक-दूसरे पर पकड़ को ढीला कर रहा था।
टीम ने फिर 'इलेक्ट्रोकेमिकल इम्पीडेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी' नामक विधि का उपयोग करके परीक्षण किया कि ये नई फिल्में बिजली का संचालन कितनी अच्छी तरह करती हैं। उन्होंने शुद्ध पॉलीमर शीटों की तुलना उन शीटों से की जिनमें थाइमोल-मेंथॉल योज्य की विभिन्न मात्राएँ थीं। शुद्ध पॉलीमर एक खराब चालक था, लेकिन जैसे ही इसमें योजक डाला गया, आवेश ले जाने की क्षमता में काफी सुधार हुआ। सबसे अच्छा प्रदर्शन मेंथॉल की उच्चतम मात्रा वाले मिश्रण से प्राप्त हुआ, विशेष रूप से वह जिसमें मेंथॉल और थाइमोल का अनुपात चार-से-एक था। इस विशिष्ट मिश्रण ने सामग्री को 1.28 × 10⁻⁶ S cm⁻¹ की दर से बिजली संचालित करने की अनुमति दी, जो अनमॉडिफाइड (अपरिवर्तित) सामग्री की तुलना में एक बड़ा सुधार था। शोधकर्ताओं ने इस सफलता का श्रेय मिश्रण के निम्न श्यानता (viscosity) को दिया, जिसने आयनों को हिलने-डुलने के लिए अधिक स्थान दिया, और थाइमोल की अद्वितीय रासायनिक संरचना को, जिसने आवेश के प्रवाह को सुगम बनाने में मदद की।
अंत में, शोधकर्ताओं ने यह जांचा कि ये नई सामग्रियां गर्मी के तहत कितनी अच्छी तरह टिक सकती हैं। उन्होंने पाया कि जबकि शुद्ध थाइमोल-मेंथॉल तरल अपेक्षाकृत कम तापमान पर टूट जाता है, जैसे ही इसे पॉलीमर मैट्रिक्स के भीतर लॉक किया जाता है, यह बहुत अधिक स्थिर हो जाता है। परिणामी ठोस फिल्म उस तापमान से काफी ऊपर के तापमान को सहन कर सकती है जो विशिष्ट बैटरी संचालन के लिए आवश्यक है, जिससे यह सिद्ध होता है कि योजक ने अंतिम उत्पाद की सुरक्षा या स्थायित्व से समझौता नहीं किया। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि इस प्राकृतिक, हरित तरल का योजक के रूप में उपयोग करना सॉलिड पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट्स को अधिक कुशल बनाने के लिए एक आशाजनक रणनीति है। हालांकि शोधकर्ता नोट करते हैं कि वास्तविक दुनिया के उपकरणों के लिए सामग्री को अनुकूलित करने हेतु आगे के कार्य की आवश्यकता है, उनके निष्कर्ष प्रदर्शित करते हैं कि सरल, पर्यावरण के अनुकूल सामग्रियां अगली पीढ़ी के बैटरी घटकों के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा सकती हैं।
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