Assembly of Graphene on SAMs and their performance to ORR.
यह शोध पत्र स्व-संयोजित 4-MBT मोनोलेयर्स पर रासायनिक रूप से अपचयित ग्राफीन ऑक्साइड (CRGO) के संयोजन के माध्यम से एक नवीन [Au/4-MBT/CRGO] इलेक्ट्रोड प्रणाली के निर्माण की रिपोर्ट करता है जो उन्नत चार्ज ट्रांसफर प्रदर्शित करती है और ऑक्सीजन के जल में कुशल 4-इलेक्ट्रॉन अपचयन को सुगम बनाती है, जो Fe-फ्थालोसाइनिन संशोधन द्वारा किए गए कार्यों के तुलनीय या उनसे बेहतर है।
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ऊर्जा की दुनिया में, हवा से ऑक्सीजन को बिजली में बदलने की खोज एक केंद्रीय चुनौती है। यह प्रक्रिया, जिसे ऑक्सीजन रिडक्शन रिएक्शन (ऑक्सीजन अपचयन अभिक्रिया) के रूप में जाना जाता है, फ्यूल सेल्स का हृदय है—ऐसे उपकरण जो बिना प्रदूषण के कारों से लेकर घरों तक सब कुछ चला सकते हैं। हालाँकि, इस अभिक्रिया को कुशलतापूर्वक करने के लिए आमतौर पर प्लैटिनम जैसी महंगी धातुओं की आवश्यकता होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से सस्ते, अधिक प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सामग्रियों की तलाश कर रहे हैं जो वही काम कर सकें। एक आशाजनक उम्मीदवार ग्राफीन है, कार्बन की एक ऐसी परत जो इतनी पतली है कि वह केवल एक परमाणु मोटी है। हालाँकि ग्राफीन बिजली का शानदार संचालन करता है, लेकिन इसे उपयोगी तरीके से किसी सतह से चिपकाना कठिन है, और इसे उत्प्रेरक बनने के लिए अक्सर मदद की आवश्यकता होती है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने स्व-संयोजित मोनोलेयर्स (self-assembled monolayers) की ओर रुख किया है, जो अणुओं की एकल परतें हैं जो फर्श पर टाइल्स की तरह किसी सतह पर स्वतः व्यवस्थित हो जाती हैं। इन आणविक टाइल्स को ग्राफीन के साथ मिलाकर, वैज्ञानिक एक स्थिर, चालक मंच बनाने की आशा करते हैं जो अभिक्रिया की गति बढ़ाने के लिए अन्य अणुओं को स्थान दे सके।
चिली के एक शोधकर्ता ने हाल ही में ऐसी एक प्रणाली बनाई है, जिसमें इन सामग्रियों को सटीकता के साथ परतों में व्यवस्थित करके एक नए प्रकार का इलेक्ट्रोड तैयार किया गया है। उन्होंने एक चिकनी स्वर्ण (गोल्ड) सतह से शुरुआत की और उस पर 4-MBT की एक एकल परत चढ़ाई, जो एक आणविक स्पैसर (molecular spacer) के रूप la कार्य करता है। इस परत के ऊपर, उन्होंने रासायनिक रूप से कम किए गए ग्राफीन ऑक्साइड (chemically reduced graphene oxide) की चादरें रखीं, जो ग्राफीन का एक रूप है जिसे ऑक्सीजन हटाने और इसकी बिजली संचालित करने की क्षमता को बहाल करने के लिए उपचारित किया गया है। ग्राफीक सीधे सोने पर नहीं चिपका; इसके बजाय, यह आणविक स्पैसर परत के हाइड्रोफोबिक (जल-विकर्षक) सिरों पर टिक गया। इसने एक सैंडविच जैसी संरचना बना दी जहाँ सोने को ग्राफीन द्वारा एक पतली कार्बनिक फिल्म द्वारा अलग किया गया था। शोधकर्ता ने फिर आयरन थैलोसाइनिन (iron phthalineocyanine), जो लोहे वाला एक अणु है और जो ऑक्सीजन को तोड़ने में सहायक माना जाता है, को ग्राफीन की चादरों पर जोड़ा। उन्होंने पाया कि इस विशिष्ट व्यवस्था ने आयरन के अणुओं को ग्राफीन पर सुरक्षित रूप से बैठने की अनुमति दी, जिससे एक ऐसी सतह बनी जो पिछले प्रयासों की तुलना में ऑक्सीजन को कम करने में कहीं अधिक बेहतर थी।
यह समझने के लिए कि यह नई संरचना कितनी अच्छी तरह काम करती है, शोधकर्ता ने परीक्षणों की एक श्रृंखला चलाई। सबसे पहले, उन्होंने जांचा कि परतों के माध्यम से बिजली कितनी आसानी से प्रवाहित हो सकती है। जब उन्होंने आणविक स्पैसर के ऊपर ग्राफीन रखा, तो स्पैसर अकेले की तुलना में विद्युत प्रतिरोध काफी कम हो गया। इससे सिद्ध हुआ कि ग्राफीन की चादरों ने सफलतापूर्वक अंतर को पाट दिया है, जिससे इलेक्ट्रॉन स्वर्ण आधार और बाहरी दुनिया के बीच स्वतंत्र रूप से बह पा रहे हैं। नैनोस्केल पर विद्युत धारा को मापने वाले एक विशेष सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि ग्राफीन ने सतह पर विशिष्ट, अत्यधिक चालक द्वीपों (islands) का निर्माण किया है। ये द्वीप पूरी तरह से सपाट नहीं थे; सूक्ष्मदर्शी ने दिखाया कि ग्राफीन की चादरें कुछ स्थानों पर मुड़ी हुई और एक के ऊपर एक जमी हुई थीं, जिससे एक खुरदरा, बनावट वाला परिदृश्य बन गया। यह बनावट महत्वपूर्ण है क्योंकि ग्राफीन के किनारे और मोड़ अक्सर वे स्थान होते हैं जहाँ सबसे सक्रिय रासायनिक अभिक्रियाएं होती हैं।
शोधकर्ता ने प्रकाश-आधारित तकनीकों का उपयोग करके ग्राफीन की संरचना का भी अध्ययन किया। विश्लेषण से पता चला कि यह सामग्री कार्बन जाली (lattice) में सूक्ष्म दोषों और अनियमितताओं से भरी हुई है। एक दोष के बजाय, ये खामियां वास्तव में इस अनुप्रयोग के लिए फायदेमंद हैं, क्योंकि वे रासायनिक अभिक्रियाओं के लिए अधिक स्थान प्रदान करती हैं। जब उन्होंने आयरन युक्त अणुओं को इस ग्राफीन की सतह पर जोड़ा, तो परीक्षणों ने पुष्टि की कि अणु सुरक्षित रूप से उससे जुड़ गए थे। आयरन के परमाणु सही रासायनिक अवस्था में पाए गए ताकि वे एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य कर सकें, और अणुओं के भीतर नाइट्रोजन परमाणु ग्राफीन के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए सही ढंग से स्थित थे।
अंत में, शोधकर्ता ने एक बुनियादी जल समाधान में ऑक्सीजन को कम करने की प्रणाली की क्षमता का परीक्षण किया। परिणाम आश्चर्यजनक थे। नए इलेक्ट्रोड ने, जिसमें स्वर्ण आधार, आणविक स्पैसर, ग्राफीन परत और आयरन उत्प्रेरक था, एक नियंत्रण इलेक्ट्रोड (जिसमें आयरन उत्प्रेरक को सीधे सोने पर रखा गया था) की तुलना में बहुत उच्च वोल्टेज पर ऑक्सीजन अपचयन की प्रक्रिया शुरू की। इसका अर्थ था कि नए सिस्टम को अभिक्रिया शुरू करने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता थी। इसके अलावा, नए इलेक्ट्रोड ने बहुत अधिक विद्युत धारा उत्पन्न की, जो यह दर्शाता है कि यह ऑक्सीजन को पानी में बहुत अधिक कुशलता से बदल रहा है। डेटा ने सुझाव दिया कि अभिक्रिया एक चार-इलेक्ट्रॉन पथ (four-electron pathway) के माध्यम से आगे बढ़ती है, जो ऑक्सीजन को पानी में बदलने का सबसे कुशल तरीका है, जिससे हानिकारक उप-उत्पादों का उत्पादन नहीं होता है। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह स्तरीय दृष्टिकोण अभिक्रिया के मौलिक तरीके को नहीं बदलता है, बल्कि यह प्रक्रिया को बहुत तेज़ और आसान बनाता है। ग्राफीन का उपयोग विद्युत संबंध को बहाल करने और उत्प्रेरक के लिए एक स्थिर घर प्रदान करने के लिए करके, शोधकर्ता ने भविष्य की फ्यूल सेल तकनीक के लिए एक अधिक प्रभावी मंच तैयार किया है।
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