Green Production of Hookah Tobacco Waste-Derived Porous Carbon and Its Capacitive Performance

ऊर्जा भंडारण के शांत कोनों में, वैज्ञानिक एक निरंतर चुनौती का सामना कर रहे हैं: ऐसे उपकरण कैसे बनाए जाएं जो तेजी से बिजली छोड़ सकें और बिना घिसे हजारों चक्रों तक चल सकें। इसका उत्तर अक्सर सुपरकैपेसिटर में निहित होता है, जो बैटरी जैसे उपकरण का एक प्रकार है जो ऊर्जा को अपनी रासायनिक संरचना के भीतर गहराई में रखने के बजाय सामग्री की सतह पर संग्रहीत करता है। इन उपकरणों के बेहतर काम करने के लिए, इसके अंदर की सामग्री एक स्पंज की तरह होनी चाहिए, लेकिन कार्बन से बनी एक ऐसी स्पंज, जिसमें सूक्ष्म छिद्रों का एक विशाल नेटवर्क हो। ये छिद्र एक तरल घोल से आवेशित कणों को तेजी से अंदर और बाहर जाने की अनुमति देते हैं, जिससे विद्युत आवेश उत्पन्न होता है। इन कणों के संपर्क में आने के लिए सतह का क्षेत्रफल जितना अधिक होगा, उपकरण उतनी ही अधिक ऊर्जा रख सकेगा। जबकि कई शोधकर्ताओं ने इन कार्बन स्पंजों को बनाने के लिए कच्चे माल के रूप में जंगलों या खेतों की ओर देखा है, एक नया अध्ययन एक अलग प्रकार के कचरे की ओर ध्यान आकर्षित करता है: हुक्के से बचा हुआ छोड़ा गया तंबाकू।

तुर्की के ओस्मानिये कोर्कुट अता विश्वविद्यालय में मुरात यिलमाज़ द्वारा किए गए इस शोध में, इस विशिष्ट कचरे को एक उच्च-प्रदर्शन वाले इलेक्ट्रोड में बदलने के तरीके का पता लगाया गया है। हुक्का तंबाकू का कचरा एक बढ़ती हुई समस्या है, जिसमें वैश्विक स्तर पर हर साल लाखों टन इस्तेमाल किए गए पत्ते और अवशेष उत्पन्न होते हैं। इस सामग्री को लैंडफिल में पड़ा रहने देने के बजाय, टीम ने पूछा कि क्या इसे उपयोगी चीज़ में बदला जा सकता है। उन्होंने स्थानीय कैफे से कचरा एकत्र करके, उसे धोकर और सुखाकर शुरुआत की। पहले चरण में सामग्री को पानी के साथ एक सीलबंद पात्र में गर्म करना शामिल था, एक ऐसी प्रक्रिया जो पौधों के रेशों को तोड़ देती है और चारकोल का एक प्रारंभिक रूप बनाती है। इस चारकोल को फिर अवांछित खनिजों को हटाने के लिए एसिड से साफ किया गया, जिससे एक शुद्ध कार्बन आधार पीछे रह गया जो अगले चरण के लिए तैयार था।

प्रक्रिया का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा कार्बन में आवश्यक छिद्र बनाना था। पारंपरिक रूप से, वैज्ञानिक इन छिद्रों को उकेरने के लिए कठोर, संक्षारक रसायनों का उपयोग करते हैं, जो बड़े पैमाने पर संभालना खतरनाक और कठिन हो सकता है। इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने बहुत ही सौम्य दृष्टिकोण चुना। उन्होंने चारकोल को सोडियम थायोसल्फेट के साथ मिलाया, जो एक सामान्य रसायन है और सामान्य विकल्पों की तुलना में बहुत कम विषैला है, और मिश्रण को भट्टी में उच्च तापमान पर गर्म किया। जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, सोडियम थायोसल्फेट टूट गया और कार्बन के साथ प्रतिक्रिया की, जिससे प्रभावी रूप से सामग्री को खाकर एक जटिल, स्पंज जैसी संरचना पीछे छोड़ दी गई। टीम ने रासायनिक सक्रियक (एक्टिवेटर) की विभिन्न मात्राओं और विभिन्न तापन तापमानों का परीक्षण किया ताकि सही संतुलन पाया जा सके।

परिणामों ने दिखाया कि उपयोग की गई स्थितियां अत्यधिक महत्वपूर्ण थीं। सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाली सामग्री को रासायनिक सक्रियक के एक विशिष्ट अनुपात के साथ मिश्रण को 900 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करके बनाया गया था। यह नमूना, जिसे शोधकर्ताओं ने HTWB-0.5-900 नाम दिया, अत्यंत छोटे से लेकर बड़े छिद्रों तक का एक अत्यधिक व्यवस्थित नेटवर्क विकसित करता है। जब मापा गया, तो इस सामग्री ने 1018.74 वर्ग मीटर प्रति ग्राम का सतह क्षेत्र प्रदर्शित किया, जो विद्युत आवेश संग्रहीत करने के लिए एक विशाल विस्तार है। इस पैमाने को समझने के लिए, यदि आप इस सामग्री के एक ग्राम को लें और इसकी सभी आंतरिक सतहों को फैला दें, तो यह एक छोटे अपार्टमेंट के क्षेत्रफल के लगभग बराबर क्षेत्र को कवर करेगा। इस विशाल सतह क्षेत्र, और छिद्रों के सही आकार के संयोजन ने आयनों को सामग्री के माध्यम से आसानी से गुजरने की अनुमति दी।

जब टीम ने इस नए कार्बन का सुपरकैपेसिटर सेटअप में परीक्षण किया, तो इसने असाधारण प्रदर्शन किया। पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड समाधान का उपयोग करते हुए एक मानक प्रयोगशाला परीक्षण में, इस सामग्री ने 175 फैरड प्रति ग्राम का विशिष्ट धारिता (स्पेसिफिक कैपेसिटेंस) प्रदान किया। यह संख्या दर्शाती है कि सामग्री अपने वजन के सापेक्ष कितनी विद्युत आवेश संग्रहीत कर सकती है, और यह उनके द्वारा बनाए गए सभी नमूनों में सबसे अधिक थी। उपकरण तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज हो सकता था, और परीक्षण की गति बढ़ने पर भी अपनी आकृति और दक्षता बनाए रख सकता था। शायद सबसे प्रभावशाली बात यह है कि सामग्री ने अविश्वसनीय स्थायता दिखाई। लगातार 10,000 बार चार्ज और डिस्चार्ज होने के बाद भी, इसने अपनी पूरी क्षमता बनाए रखी, क्षरण का कोई संकेत नहीं दिखाया। यह सुझाव देता है कि यह सामग्री न केवल शक्तिशाली है बल्कि लंबे समय तक चलने के लिए भी बनी है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि कुछ नमूने अन्य की तुलना में बेहतर क्यों काम करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि कम तापमान, जैसे कि 700 डिग्री, पर सामग्री को गर्म करने से आवश्यक छिद्र संरचना पर्याप्त रूप से नहीं बन पाई, जिसके परिणामस्वरूप कमजोर प्रदर्शन हुआ। इसी तरह, कम तापमान पर बहुत अधिक सक्रिय करने वाले रसायन के उपयोग से कण आपस में जुड़ गए, जिससे आयनों के मार्ग अवरुद्ध हो गए। 900-डिग्री वाले नमूने की सफलता गर्मी और रासायनिक अनुपात के सटीक संयोजन से आई जिसने एक स्वच्छ, खुला और परस्पर जुड़ा हुआ नेटवर्क बनाया। विश्लेषण ने पुष्टि की कि सामग्री मुख्य रूप से अमोर्फस (अक्रिस्टलीय) कार्बन थी, जिसका अर्थ है कि इसमें एक कठोर क्रिस्टल संरचना की कमी थी, जो वास्तव में इस अनुप्रयोग के लिए फायदेमंद है क्योंकि यह अधिक लचीली और सुलभ सतह की अनुमति देता है।

एक सामान्य अपशिष्ट उत्पाद को एक परिष्कृत ऊर्जा भंडारण सामग्री में बदलकर, यह कार्य अधिक टिकाऊ तकनीक की ओर एक मार्ग को उजागर करता है। यह प्रक्रिया खतरनाक रसायनों के उपयोग से बचती है, आसानी से उपलब्ध कचरे स्रोत पर निर्भर करती है, और एक ऐसी सामग्री का उत्पादन करती है जो वैज्ञानिक साहित्य में पाए जाने वाले अन्य बायोमास-व्युत्पन्न कार्बनों के प्रदर्शन की बराबरी करती है या उससे बेहतर है। निष्कर्ष बताते हैं कि ऊर्जा भंडारण का भविष्य केवल नई, जटिल खोजों पर ही नहीं, बल्कि हमारे पास जो पहले से है उसका बेहतर उपयोग करने के तरीकों को खोजने पर भी निर्भर हो सकता है, जो हमारी दैनिक आदतों के अवशेषों को कल के ऊर्जा स्रोतों में बदल सके।