Influence of Chemical Activation on the Structural and Electrochemical Properties of Calophyllum inophyllum Shell-Derived Porous Carbon for Supercapacitor Application

दुनिया ऊर्जा भंडारण के बेहतर तरीकों के लिए भूखी है। जैसे-जैसे समाज पवन और सूर्य जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों की ओर बढ़ रहा है, ऐसे उपकरणों की आवश्यकता पहले से कहीं अधिक बढ़ गई है जो बिजली को तेजी से और विश्वसनीय रूप से संचित और मुक्त कर सकें। इस काम के लिए उपलब्ध विभिन्न उपकरणों में, सुपरकैपेसिटर (supercapacitors) अपनी उल्लेखनीय गति और स्थायित्व के साथ चार्ज और डिस्चार्ज होने की क्षमता के लिए विशिष्ट स्थान रखते हैं। बैटरी के विपरीत, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा संग्रहीत करती हैं जिन्हें उलटने में समय लग सकता है, सुपरकैपेसिटर ऊर्जा को एक विद्युत क्षेत्र (electric field) में रखते हैं, जिससे वे लगभग तुरंत बिजली प्रदान कर पाते हैं। हालाँकि, इन उपकरणों को कुशल और किफायती बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे पदार्थों को खोजना होगा जो उत्कृष्ट इलेक्ट्रोड—वे सतह जहाँ ऊर्जा संग्रहीत होती है—के रूप में कार्य कर सकें। आदर्श सामग्री को छिद्रपूर्ण (porous) होना चाहिए, जो आयनों के चिपकने के लिए एक विशाल आंतरिक सतह क्षेत्र प्रदान करे, जबकि साथ ही रासायनिक रूप से स्थिर और पर्यावरण के अनुकूल भी रहे।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने के लिए एक प्रचुर प्राकृतिक संसाधन की ओर रुख किया: कैलौफ़िलम इनौफ़ोलियम (Calophyllum inophyllum) पेड़ के कठोर छिलके। उष्णकटिबंधीय तटीय क्षेत्रों में पाए जाने वाले ये छिलके अक्सर ईंधन या अन्य उपयोगों के लिए पेड़ के तेल को निकालने के बाद कचरे के रूप में फेंक दिए जाते हैं। भारत में आधारित इस टीम ने जांच की कि क्या इन फेंके गए छिलकों को उच्च-प्रदर्शन वाले कार्बन इलेक्ट्रोड में बदला जा सकता है। उन्होंने छिलकों को लिया, उन्हें साफ किया, और एक बुनियादी कार्बन पाउडर बनाने के लिए उन्हें गर्म किया। इस पाउडर को ऊर्जा भंडारण के लिए उपयोगी बनाने के लिए, उन्होंने इसे 'केमिकल एक्टिवेशन' (chemical activation) नामक प्रक्रिया के अधीन किया। इस चरण में कार्बन को विशिष्ट रसायनों के साथ उपचारित करना शामिल है ताकि सामग्री के कुछ हिस्सों को हटाकर (etch away) एक जटिल सूक्ष्म छिद्रों और सुरंगों का नेटवर्क बनाया जा सके। शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग रसायनों—सोडियम हाइड्रॉक्साइड, सल्फ्यूरिक एसिड और फास्फोरिक एसिड—का परीक्षण किया, यह देखने के लिए कि कौन सा रसायन बिजली संग्रहीत करने के लिए सबसे अच्छा आंतरिक ढांचा तैयार करेगा।

परिणामों से पता चला कि रासायनिक सक्रियक (chemical activator) का चुनाव अंतिम सामग्री के गुणों को नाटकीय रूप से बदल देता है। जब शोधकर्ताओं ने सोडियम हाइड्रॉक्साइड का उपयोग किया, तो परिणामी कार्बन में छिद्रों का एक अत्यधिक परस्पर जुड़ा नेटवर्क विकसित हुआ जिसने आयनों को स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति दी। इस नमूने ने 'साइक्लिक वोल्टामेट्री' (cyclic voltammetry) नामक एक विशिष्ट तकनीक द्वारा मापे जाने पर, प्रति ग्राम 638.21 फैरड की उच्चतम चार्ज भंडारण क्षमता प्रदर्शित की। इस उच्च प्रदर्शन का श्रेय सामग्री की उस क्षमता को दिया गया जिससे इलेक्ट्रोलाइट आयनों को कार्बन की सतह तक आसानी से पहुँच प्राप्त हुई, जिसे क्षारीय सक्रियण प्रक्रिया द्वारा सुगम बनाया गया था। हालाँकि, कहानी पूरी तरह से एकतरफा नहीं थी। जब टीम ने देखा कि निरंतर चार्ज और डिस्चार्ज के स्थिर प्रवाह के दौरान सामग्री कैसा प्रदर्शन करती है, तो एक अलग नमूना अग्रणी बनकर उभरा। सल्फ्यूरिक एसिड से उपचारित कार्बन ने सबसे अच्छा समग्र संतुलन दिखाया, जिसने 59.06 फैरड प्रति ग्राम की विशिष्ट धारिता (specific capacitance) और 4.02 वाट-घंटा प्रति किलोग्राम का ऊर्जा घनत्व प्रदान किया। यह सुझाव देता है कि जहाँ सोडियम हाइड्रॉक्साइड उपचार ने सबसे सुलभ सतह क्षेत्र प्रदान किया, वहीं सल्फ्यूरिक एसिड उपचार ने एक ऐसा छिद्र संरचना तैयार की जो निरंतर ऊर्जा वितरण की विशिष्ट मांगों के लिए अधिक उपयुक्त थी।

अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि केवल सबसे बड़ा सतह क्षेत्र होना अपने आप में सर्वोत्तम प्रदर्शन की गारंटी नहीं देता है। फास्फोरिक एसिड से उपचारित एक नमूने ने 1000 वर्ग मीटर प्रति ग्राम से अधिक का विशाल सतह क्षेत्र प्राप्त किया, फिर भी वह हर परीक्षण में दूसरों से बेहतर प्रदर्शन नहीं कर सका। यह निष्कर्ष एक महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि प्रदान करता है: छिद्रों का आकार और उनका जुड़ाव (connectivity) उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि उनकी कुल संख्या। यदि छिद्र बहुत छोटे या खराब तरीके से जुड़े हुए हैं, तो आयन उनके माध्यम से कुशलतापूर्वक यात्रा नहीं कर सकते, जिससे उपकरण की ऊर्जा संग्रहीत करने और मुक्त करने की क्षमता सीमित हो जाती है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि रासायनिक सक्रियण प्रक्रिया ने कार्बन की आंतरिक वास्तुकला को सफलतापूर्वक बदल दिया, जिससे बेहतर आयन परिवहन की सुविधा के लिए सूक्ष्म और मध्यम आकार के छिद्रों का मिश्रण तैयार हुआ। विभिन्न इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपिक उपकरणों के साथ विश्लेषण करके, उन्होंने देखा कि क्षारीय उपचार ने एक अधिक व्यवस्थित कार्बन संरचना बनाई, जबकि एसिड उपचारों ने विभिन्न सतही विशेषताओं को पेश किया जो इस बात को प्रभावित करती हैं कि सामग्री तरल इलेक्ट्रोलाइट के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि कृषि अपशिष्ट, विशेष रूप से कैलौफ़िलम इनौफ़ोलियम पेड़ के छिलके, उन्नत ऊर्जा भंडारण सामग्री बनाने के लिए एक आशाजनक और टिकाऊ स्रोत हैं। यह अध्ययन सिद्ध करता है कि कार्बन को सक्रिय करने के लिए उपयोग किए जाने वाले रासायनिक एजेंट का सावधानीपूर्वक चयन करके, वैज्ञानिक सामग्री की संरचना को विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप ढाल सकते हैं। चाहे लक्ष्य चार्ज की गति को अधिकतम करना हो या ऊर्जा वितरण की स्थिरता को अनुकूलित करना हो, सही रासायनिक उपचार इस प्रचुर बायोमास की क्षमता को उजागर कर सकता है। ये निष्कर्ष उच्च-प्रदर्शन वाले सुपरकैपेसिटर विकसित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं जो न केवल कुशल हैं, बल्कि चक्रीय अर्थव्यवस्था (circular economy) में भी निहित हैं, जो एक सामान्य अपशिष्ट उत्पाद को भविष्य के ऊर्जा भंडारण के लिए एक मूल्यवान घटक में बदल देते हैं।