Hierarchical carbon-encapsulated FeCo Alloy nanoparticles bridging N-doped graphene nanoribbons for efficient bifunctional oxygen electrocatalysis and rechargeable Zn-air batteries
यह अध्ययन एक उत्कृष्ट-धातु-मुक्त पदानुक्रमित FeCo@C/N-GNRs कंपोजिट की रिपोर्ट करता है, जिसमें कार्बन-एनकैप्सुलेटेड FeCo मिश्र धातु नैनोकणों द्वारा एन-डोपेड ग्राफीन नैनोरिबन को जोड़ा गया है, जो श्रेष्ठ द्वैतकारणीय ऑक्सीजन इलेक्ट्रोकैटलिसिस प्रदर्शित करता है और उच्च-प्रदर्शन, लचीली पुन: चार्ज होने योग्य जिंक-एयर बैटरियों को सक्षम बनाता है।
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दुनिया ऐसी ऊर्जा के लिए भूखी है जो स्वच्छ हो, सस्ती हो और इलेक्ट्रिक कारों से लेकर हमारी कलाई पर पहने जाने वाले उपकरणों तक, सब कुछ चलाने में सक्षम हो। इस भविष्य के कई दावेदारों में, रिचार्जेबल जिंक-एयर बैटरी एक विशेष रूप से आशाजनक उम्मीदवार के रूप में उभरती है। ये बैटरियां विशाल, रिचार्जेबल फ्यूल सेल्स की तरह हैं जो बिजली उत्पन्न करने के लिए हवा से ऑक्सीजन खींचती हैं, जो आज के अधिकांश स्मार्टफोन में पाए जाने वाले लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में बहुत अधिक सैद्धांतिक ऊर्जा घनत्व (energy density) प्रदान करती हैं। वे स्वाभाविक रूप से सुरक्षित भी हैं और प्रचुर, कम लागत वाली सामग्रियों से बनी हैं। हालांकि, दशकों से, एक जिद्दी बाधा उन्हें व्यावहारिक वास्तविकता बनने से रोक रही है। बैटरी के भीतर की रासायनिक प्रतिक्रियाएं जो ऑक्सीजन का उपभोग और विमोचन करती हैं, अविश्वसनीय रूप से धीमी और सुस्त हैं। उन्हें कुशलतापूर्वक काम करने के लिए बनाने हेतु, वैज्ञानिक पारंपरिक रूप से चीजों को तेज करने के लिए प्लैटिनम और इरिडियम जैसी महंगी, दुर्लभ धातुओं पर निर्भर रहे हैं। ये सामग्रियां न केवल महंगी हैं बल्कि दुर्लभ भी हैं, जिससे बड़े पैमाने पर बैटरियों का उत्पादन करना कठिन हो जाता है। वैज्ञानिक समुदाय एक विकल्प की तलाश में था: एक ऐसी सामग्री जो सस्ती हो, टिकाऊ हो और इन कठिन प्रतिक्रियाओं को तेजी से होने के लिए प्रेरित करने में उतनी ही प्रभावी हो।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक चतुर, स्तरित संरचना (layered structure) में सरल सामग्रियों को जोड़कर इन चुनौतियों का समाधान निकाला है। उन्होंने एक मिश्रित सामग्री बनाई है जहाँ आयरन-कोबाल्ट मिश्र धातु के सूक्ष्म कणों को सुरक्षात्मक कार्बन आवरण में लपेटा गया है और फिर नाइट्रोजन-डोप्ड ग्राफीन की पट्टियों के साथ जोड़ा गया है। इस संरचना को एक सूक्ष्म मचान (microscopic scaffold) के रूप में सोचें: ग्राफीन की पट्टियाँ एक मजबूत, प्रवाहकीय राजमार्ग के रूप में कार्य करती हैं, जबकि लिपटे हुए धातु के कण सक्रिय कार्यबल के रूप में कार्य करते हैं जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित करते हैं। शोधकर्ताओं ने इस सामग्री को पीसने, गर्म करने और रासायनिक प्रतिक्रियाओं से जुड़ी एक सीधी प्रक्रिया के माध्यम से बनाया, जिससे अंततः एक पाउडर प्राप्त हुआ जो सूक्ष्म छिद्रों और दोषों से समृद्ध है। ये खामियां दोष नहीं बल्कि विशेषताएं हैं; वे एक विशाल सतह क्षेत्र बनाते हैं जहाँ बैटरी की रासायनिक प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि उत्प्रेरक (catalyst) अधिकतम ऑक्सीजन के संपर्क में रहे।
जब टीम ने इस नई सामग्री का परीक्षण किया, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। बैटरी के भीतर की स्थितियों की नकल करने वाली प्रयोगशाला सेटिंग्स में, यह सामग्री ऑक्सीजन रिडक्शन रिएक्शन (जो शक्ति उत्पन्न करती है) और ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन (जो बैटरी को रिचार्ज करती है) दोनों के लिए एक अत्यधिक कुशल उत्प्रेरक साबित हुई। इसने वर्तमान अनुसंधान में उपयोग किए जाने वाले मानक प्लैटिनम और इरिडियम के संयोजन से बेहतर प्रदर्शन किया, जिसमें प्रतिक्रियाओं को चलाने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता हुई और लंबे समय तक अपनी गति बनाए रखी। इसकी स्थायता विशेष रूप से उल्लेखनीय थी; जबकि पारंपरिक प्लैटिनम-आधारित उत्प्रेरक लंबे समय तक उपयोग के बाद अपनी प्रभावशीलता का एक बड़ा हिस्सा खो देता है, नए आयरन-कोबाल्ट कंपोजिट ने अपना स्थान बनाए रखा, और केवल अपनी शक्ति का एक छोटा सा हिस्सा ही खोया। यह स्थिरता महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि बैटरी को सैकड़ों बार रिचार्ज किया जा सकता है बिना उत्प्रेरक के टूटे या बैटरी के तरल इलेक्ट्रोलाइट में घुले।
यह देखने के लिए कि क्या यह सामग्री एक वास्तविक दुनिया के उपकरण में काम कर सकती है, शोधकर्ताओं ने इसे तरल और लचीली (flexible) जिंक-एयर बैटरियों दोनों में असेंबल किया। तरल संस्करण में, जो एक मानक तरल इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करता है, इस नए उत्प्रेरक द्वारा संचालित बैटरी ने 165.83 मिलीवाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर का शिखर शक्ति घनत्व (peak power density) प्रदान किया, जो महंगे प्लैटिनम और इरिडियम मिश्रण का उपयोग करने वाली तुलनीय बैटरी से काफी बेहतर प्रदर्शन करता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि बैटरी सैकड़ों चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के दौरान स्थिर रही, जबकि प्रतिस्पर्धी बहुत पहले विफल हो गया। शोधकर्ताओं ने इस तकनीक को एक कदम आगे ले जाते हुए एक लचीला संस्करण बनाया, जो पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए उपयुक्त है। उन्होंने जिंक फॉयल और कार्बन क्लॉथ के बीच इस उत्प्रेरक को सैंडविच किया, और सब कुछ एक साथ रखने के लिए एक जेल जैसे इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया। मुड़ने और मुड़ने के बावजूद, बैटरी ने निरंतर शक्ति आउटपुट बनाए रखा, जिससे पता चला कि यह सामग्री शरीर पर पहनने या कपड़ों में एकीकृत होने के शारीरिक तनाव को सहने के लिए पर्याप्त मजबूत है।
इस सामग्री की सफलता इसके घटकों के बीच तालमेल (synergy) में निहित है। आयरन और कोबाल्ट परमाणु रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए ऊर्जा अवरोध को कम करने के लिए मिलकर काम करते हैं, जबकि कार्बन कोटिंग धातु के कणों को बैटरी के कठोर क्षारीय वातावरण में संक्षारण (corrosion) से बचाती है। नाइट्रोजन-डोप्ड ग्राफीन नैनोरिबन एक स्थिर, प्रवाहकीय ढांचा प्रदान करते हैं जो कणों को आपस में जुड़ने से रोकता है और यह सुनिश्चित करता है कि इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से घूम सकें। इन तत्वों को मिलाकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उत्प्रेरक बनाया है जो न केवल अत्यधिक सक्रिय है बल्कि असाधारण रूप से टिकाऊ भी है। यह कार्य किफायती, उच्च-प्रदर्शन वाली ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के विकास के लिए एक स्पष्ट मार्ग का सुझाव देता है। यदि इन निष्कर्षों को बड़े पैमाने पर लागू किया जा सकता है, तो नई सामग्री जिंक-एयर बैटरियों को लैब से बाहर निकालकर हमारे दैनिक जीवन को संचालित करने वाले उपकरणों में लाने में मदद कर सकती है, जो उन बैटरियों के लिए एक स्थायी विकल्प प्रदान करती है जिन पर हम आज निर्भर हैं।
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