Correlating Charge-Storage Kinetics, Quantum Capacitance, and Surface Charge Density in Bi2O2S: An Experimental-DFT Study

आधुनिक जीवन को आकार देने वाले उपकरणों, जैसे कि हमारी जेब में रखे स्मार्टफोन से लेकर हमारी सड़कों पर दौड़ने वाले इलेक्ट्रिक वाहनों तक, उन्हें शक्ति प्रदान करने के लिए हमें ऐसे तरीकों की आवश्यकता है जो ऊर्जा को तेज़ी से और लंबे समय तक संचित कर सकें। वैज्ञानिक लगातार ऐसे पदार्थों की खोज कर रहे हैं जो विद्युत आवेश (इलेक्ट्रिकल चार्ज) को कुशलतापूर्वक धारण कर सकें। कुछ पदार्थ स्पंज की तरह कार्य करते हैं, जो एक तरल घोल से आयनों को सोख लेते हैं, जबकि अन्य अपनी सतह पर इलेक्ट्रॉनों की गति पर निर्भर करते हैं। चुनौती यह समझने में निहित है कि ये दो प्रक्रियाएं एक ही पदार्थ के भीतर एक साथ कैसे काम करती हैं। यदि कोई पदार्थ बहुत अधिक आवेश संग्रहीत करता है, तो क्या ऐसा इसलिए है क्योंकि इसमें आयनों के चिपकने के लिए एक विशाल सतह क्षेत्र है, या इसलिए क्योंकि इसकी आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक संरचना इलेक्ट्रॉनों को थामे रखने में विशिष्ट रूप से सक्षम है? इन दोनों तंत्रों के बीच अंतर करना बेहतर बैटरी और सुपरकैपेसिटर (वे उपकरण जो त्वरण के लिए आवश्यक ऊर्जा के तीव्र झटकों और लंबी यात्राओं के लिए आवश्यक निरंतर शक्ति के बीच के अंतर को पाटते हैं) को डिजाइन करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट पदार्थ जिसे बिस्मथ ऑक्सीसल्फाइड (bismuth oxysulfide) कहा जाता है, का उपयोग करके इस संबंध को सुलझाने का प्रयास किया। इस यौगिक की एक परतदार संरचना है, जो पतली चादरों के ढेर के समान है, जो इसे ऊर्जा भंडारण के लिए एक दिलचस्प उम्मीदवार बनाती है। भारत में एसआरएम यूनिवर्सिटी-एपी (SRM University-AP) में कार्यरत टीम ने यह देखने के लिए कि यह पदार्थ चार्ज और डिस्चार्ज होने पर कैसा व्यवहार करता है, वास्तविक दुनिया के प्रयोगों को उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ जोड़ा। वे जानना चाहते थे कि प्रयोगशाला में उनके द्वारा मापा गया आवेश भंडारण, पदार्थ की इलेक्ट्रॉनों के आवेश संचय करने की अंतर्निहित क्षमता, जिसे क्वांटम कैपेसिटेंस (quantum capacitance) कहा जाता है, से मेल खाता है या नहीं। प्रयोगशाला में अपनी आँखों से जो उन्होंने देखा, उसकी तुलना अपने कंप्यूटर द्वारा किए गए अनुमानों से करके, उनका लक्ष्य यह स्पष्ट करना था कि कैसे पदार्थ की आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक प्रकृति इसके वास्तविक प्रदर्शन को प्रभावित करती है।

शोधकर्ताओं ने पानी में विशिष्ट रसायनों को मिलाकर नैनोस्केल की छोटी चादरें उगाने की एक गीली रासायनिक विधि (wet chemical method) का उपयोग करके बिस्मथ ऑक्सीसल्फाइड के शुद्ध नमूने तैयार करना शुरू किया। उन्होंने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके पुष्टि की कि पदार्थ शुद्ध है और इसकी क्रिस्टल संरचना सही है, जो पदार्थों के लिए एक फिंगरप्रिंट की तरह कार्य करता है। जब उन्होंने इन चादरों का एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह पदार्थ काफी मात्रा में आवेश संग्रहीत कर सकता है, जो एक मध्यम चार्जिंग गति पर 866 फैराड प्रति ग्राम की विशिष्ट कैपेसिटेंस तक पहुँचता है। हालांकि, जैसे ही उन्होंने चार्जिंग की गति बढ़ाई, पदार्थ द्वारा धारण किया जाने वाला आवेश कम हो गया, जो इन प्रणालियों में एक सामान्य व्यवहार है। परीक्षण की गति के साथ करंट (धारा) में होने वाले परिवर्तन का विश्लेषण करके, उन्होंने निर्धारित किया कि आवेश भंडारण केवल एक सरल सतही प्रभाव नहीं था। इसके बजाय, यह प्रक्रिया काफी हद तक प्रसार (diffusion) पर निर्भर थी, जिसका अर्थ है कि आयनों को प्रतिक्रिया में भाग लेने के लिए पदार्थ के भीतर जाना था, न कि केवल बाहर ही टिके रहना था।

इस कहानी के इलेक्ट्रॉनिक पक्ष को समझने के लिए, टीम ने डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (density functional theory) की ओर रुख किया, जो एक शक्तिशाली कम्प्यूटेशनल पद्धति है और यह मॉडल करती है कि परमाणु और अणुओं में इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने बिस्मथ ऑक्सीसल्फाइड की एक डिजिटल सतह बनाई और सिमुलेशन किया कि जब इलेक्ट्रोलाइट से आयन (जैसे पोटेशियम और हाइड्रोक्साइड आयन) उस पर लैंड करते हैं, तो क्या होता है। सिमुलेशन से पता चला कि जब ये आयन सतह पर अधिशोषित (adsorbed) होते हैं, तो वे पदार्थ के इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य को बदल देते हैं। विशेष रूप से, हाइड्रोक्साइड आयनों की उपस्थिति ने पदार्थ की क्वांटम कैपेसिटेंस को बढ़ा दिया, जो इस बात का माप है कि पदार्थ कितनी आसानी से अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनिक आवेश स्वीकार कर सकता है। गणनाओं ने दिखाया कि इस परस्पर क्रिया के बाद सतह अधिक आवेश रख सकती है, जिससे क्वांटम कैपेसिटेंस लगभग 493 से बढ़कर लगभग 639 माइक्रोफैराड प्रति वर्ग सेंटीमीटर हो गई।

अध्ययन का सबसे खुलासा करने वाला हिस्सा तब आया जब शोधकर्ताओं ने अपने कंप्यूटर मॉडल की सीधे अपने प्रयोगात्मक डेटा के साथ तुलना की। उन्होंने गणना की कि उनके सिमुलेशन के आधार पर सतह आवेश घनत्व (surface charge density) क्या होना चाहिए और इसकी तुलना विभिन्न चार्जिंग गतियों पर प्रयोगशाला में उनके द्वारा मापे गए आवेश घनत्व से की। उच्च चार्जिंग गति पर, जहाँ आयनों के पास पदार्थ में गहराई तक प्रवेश करने के लिए बहुत कम समय होता है, प्रयोगात्मक परिणाम कंप्यूटर के अनुमानों से लगभग पूरी तरह मेल खाते हैं। मापा गया आवेश घनत्व सिमुलेशन द्वारा अनुमानित सीमा के भीतर ही था। यह करीबी सहमति बताती है कि तेज़ दरों पर, पदार्थ का व्यवहार उसके अंतर्निहित इलेक्ट्रॉनिक गुणों द्वारा नियंत्रित होता है, जैसा कि कंप्यूटर मॉडल भविष्यवाणी करता है।

हालाँकि, धीमी चार्जिंग गति पर, प्रयोगात्मक संख्याएँ सिमुलेशन द्वारा अनुमानित संख्याओं से बहुत अधिक थीं। प्रयोगशाला में पदार्थ ने उस आवेश को काफी अधिक धारण किया जो इलेक्ट्रॉनिक मॉडल के अनुसार होना चाहिए था। शोधकर्ताओं ने इस अंतर को यह नोट करते हुए समझाया कि धीमी गति पर, आयनों के पास पदार्थ के छिद्रों में गहराई तक जाने और जटिल रासायनिक प्रतिक्रियाओं में शामिल होने के लिए अधिक समय होता है, जिनका सरल इलेक्ट्रॉनिक मॉडल ने लेखा-जोखा नहीं लिया था। ये अतिरिक्त प्रक्रियाएं, जिनमें इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से आयनों की गति और सतह पर होने वाले रासायनिक परिवर्तन शामिल हैं, अतिरिक्त क्षमता जोड़ती हैं जो पदार्थ की बुनियादी इलेक्ट्रॉनिक क्षमता से परे है। अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि जबकि अंतर्निहित इलेक्ट्रॉनिक संरचना यह आधार तय करती है कि पदार्थ कितना आवेश संग्रहीत कर सकता है, वास्तविक प्रदर्शन इस इलेक्ट्रॉनिक क्षमता और उन धीमी, प्रसार-संचालित प्रक्रियाओं का एक जटिल मिश्रण है जो तब होती हैं जब आयनों के पास स्वतंत्र रूप से घूमने का समय होता है। यह कार्य इस बात की स्पष्ट रूपरेखा प्रदान करता है कि कैसे किसी पदार्थ की सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक दुनिया उसके मैक्रोस्कोपिक (स्थूल) ऊर्जा भंडारण उपकरण के प्रदर्शन से जुड़ती है।