One-pot synthesis of carbon nanotube/graphene composite phase change materials based on Pickering emulsion for solar thermal storage

दुनिया लगातार सूर्य से आने वाली ऊर्जा को पकड़ने और उसे संचित करने के बेहतर तरीकों की तलाश में है। एक आशाजनक दृष्टिकोण उन सामग्रियों को शामिल करना है जो गर्मी को सोख सकें, उसे संग्रहित कर सकें और बाद में आवश्यकता पड़ने पर उसे छोड़ सकें। ये पदार्थ, जिन्हें 'फेज चेंज मैटेरियल्स' (phase change materials) कहा जाता है, ठोस से तरल में पिघलते समय बड़ी मात्रा में ऊर्जा अवशोषित करके और फिर से जमते समय उस ऊर्जा को वापस देकर काम करते हैं। यह प्रक्रिया उन्हें बहुत कम स्थान में विशाल मात्रा में तापीय ऊर्जा को थामने की अनुमति देती है, जिससे वे इमारतों के तापमान को नियंत्रित करने से लेकर सौर ऊर्जा को बाद में उपयोग के लिए संग्रहीत करने तक, हर चीज़ के लिए उपयोगी बन जाते हैं। हालाँकि, इन सामग्रियों को दो महत्वपूर्ण बाधाओं का सामना करना पड़ता है जिन्होंने उन्हें व्यापक रूप से अपनाए जाने से रोक रखा है। पहला, वे अक्सर ऊष्मा के खराब सुचालक होते हैं, जिसका अर्थ है कि उन्हें गर्म होने या ठंडा होने में बहुत अधिक समय लगता है। दूसरा, जब वे पिघलते हैं, तो वे एक तरल में बदल जाते हैं जो आसानी से उनके कंटेनरों से बाहर निकल सकता है, जिससे गंदगी फैलती है और सिस्टम बेकार हो जाता है।

शियान शियौ विश्वविद्यालय (Xi'an Shiyou University) के शोधकर्ताओं ने इन दोनों समस्याओं को एक साथ हल करने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने एक मिश्रित सामग्री बनाई है जो हेक्साडेकानोल (hexadecanol) नामक मोम जैसे पदार्थ को कार्बन से बनी एक मजबूत, त्रि-आयामी जाल के भीतर फँसा लेती है। इस संरचना को बनाने के लिए, उन्होंने 'पिकेरिंग इमल्शन' (Pickering emulsion) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो पारंपरिक रासायनिक साबुनों के बजाय तेल और पानी के मिश्रण को स्थिर करने के लिए सूक्ष्म ठोस कणों पर निर्भर करती है। इस विशिष्ट मामले में, टीम ने ग्रेफीन ऑक्साइड की शीटों और कार्बन नैनोट्यूब की नन्ही नलिकाओं का उपयोग स्थिरीकरण करने वाले कणों के रूप में किया। उन्होंने इन कार्बन घटकों को पिघले हुए हेक्साडेकानोल और पानी के साथ मिलाया, जिससे एक स्थिर इमल्शन बना जहाँ मोम की बूंदों को कार्बन के सुरक्षात्मक कवच से घेर दिया गया। इस मिश्रण को एक सीलबंद कंटेनर में गर्म करके, उन्होंने एक रासायनिक प्रतिक्रिया को प्रेरित किया जिसने ग्रेफीन ऑक्साइड को एक ठोस, छिद्रपूर्ण ढांचे (scaffold) में बदल दिया, जिससे प्रभावी रूप से मोम को एक कार्बन पिंजरे के भीतर लॉक कर दिया गया। इस एक-चरणीय प्रक्रिया को, जिसे शोधकर्ता 'वन-पॉट सिंथेसिस' (one-pot synthesis) कहते हैं, ने एक ऐसी सामग्री का परिणाम दिया जो ठोस, लीक-प्रूफ और अकेले मोम की तुलना में ऊष्मा स्थानांतरित करने में बहुत बेहतर है।

परिणामी सामग्री, जिसे टीम ने कई अलग-अलग फॉर्मूलेशन में परखा, शुद्ध मोम की तुलना में उल्लेखनीय सुधार दिखाती है। जब शोधकर्ताओं ने यह मापा कि यह मिश्रित सामग्री कितनी अच्छी तरह ऊष्मा का संचालन करती है, तो उन्होंने पाया कि कार्बन नैनोट्यूब जोड़ने से स्पष्ट अंतर आया। नैनोट्यूब की उच्चतम मात्रा वाले नमूने ने शुद्ध हेक्साडेकानोल की तुलना में 25.40 प्रतिशत बेहतर ऊष्मा का संचालन किया। यह सुधार महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि सामग्री सौर ऊर्जा को अवशोषित कर सकती है और संचित ऊष्मा को बहुत तेज़ी से छोड़ सकती है, जिससे यह वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए अधिक व्यावहारिक बन जाती है। कार्बन ढांचे ने रिसाव की समस्या को भी पूरी तरह से हल कर दिया। जब शोधकर्ताओं ने इस मिश्रित सामग्री को 70 डिग्री सेल्सियस पर सेट किए गए हॉट प्लेट पर रखा, तो शुद्ध हेक्साडेकानोल कुछ ही मिनटों में पिघलकर बह गया। इसके विपरीत, मिश्रित सामग्री ने लंबे समय तक गर्म करने के बाद भी बिना किसी दृश्य रिसाव के अपना आकार पूरी तरह से बनाए रखा। कार्बन जाल ने एक कठोर कंकाल के रूप में कार्य किया जिसने मोम को सहारा दिया और तरल अवस्था में आने पर भी उसे सुरक्षित रखा।

ऊष्मा को थामने के अलावा, यह सामग्री सूर्य के प्रकाश को पकड़ने और उसे तापीय ऊर्जा में बदलने में भी उत्कृष्ट सिद्ध हुई। कार्बन घटक, विशेष रूप से ग्रेफीन और नैनोट्यूब, प्रकाश को अवशोषित करने में बहुत अच्छे हैं। जब शोधकर्ताओं ने नमूनों पर कृत्रिम सूर्य की रोशनी डाली, तो मिश्रित सामग्रियां शुद्ध मोम की तुलना में काफी तेजी से गर्म हुईं। सबसे अधिक कार्बन नैनोट्यूब वाले नमूने ने मात्र 600 सेकंड में 75 डिग्री सेल्सियस का तापमान प्राप्त कर लिया, जबकि शुद्ध मोम ने उसी समय में केवल 70 डिग्री सेल्सियस प्राप्त किया। यह सुझाव देता है कि यह सामग्री सौर ऊर्जा को अधिक कुशलता से एकत्र कर सकती है, जो सौर थर्मल स्टोरेज सिस्टम के लिए एक प्रमुख आवश्यकता है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि सामग्री शुद्ध मोम की तुलना में तेजी से ठंडी हुई, जो उन प्रणालियों के लिए फायदेमंद हो सकता है जिन्हें गर्मी को जल्दी से छोड़ने की आवश्यकता होती है।

अध्ययन ने पुष्टि की कि कार्बन और मोम के बीच आपस में कोई रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं हुई जिससे कोई नया पदार्थ बना हो; इसके बजाय, वे भौतिक रूप से संयोजित थे। कार्बन संरचना ने केवल एक कंटेनर और ऊष्मा के संचरण के लिए एक मार्ग (highway) प्रदान किया। हालांकि, सामग्री द्वारा संग्रहीत की जा सकने वाली कुल ऊष्मा की मात्रा शुद्ध मोम की तुलना में थोड़ी कम थी—क्योंकि कार्बन स्वयं पिघलता या ऊर्जा संग्रहीत नहीं करता है—फिर भी यह मात्रा प्रभावी होने के लिए पर्याप्त बनी रही। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि बार-बार गर्म करने और ठंडा करने के चक्रों के बाद भी सामग्री ने अपनी ऊर्जा संग्रहीत करने की क्षमता बनाए रखी, जो इसकी मजबूत स्थिरता को दर्शाता है। एक सरल, स्केलेबल विधि का उपयोग करके एक ऐसी सामग्री बनाने के साथ जो लीक-प्रूफ, तापीय रूप से सुचालक और सौर ऊर्जा को पकड़ने में कुशल है, टीम ने एक ऐसे उम्मीदवार को तैयार किया है जो भविष्य में तापीय ऊर्जा को संग्रहीत करने और प्रबंधित करने के तरीके को बेहतर बनाने में मदद कर सकता है।