In-situ self-doping of Lotus seed pod-based hierarchical porous carbon for high-performance supercapacitors

दुनिया के ऊर्जा ग्रिड की कल्पना एक विशाल, हलचल भरे शहर के रूप में करें। हमारे पास सौर पैनल और पवन टरबाइन हैं जो उत्साही लेकिन अप्रत्याशित पड़ोसियों की तरह हैं; कभी वे बिजली की बाढ़ ला देते हैं, तो कभी वे झपकी लेने चले जाते हैं। रोशनी चालू रखने के लिए, हमें ऊर्जा भंडारण उपकरणों की आवश्यकता है जो एक सुपर-कुशल स्पंज की तरह काम कर सकें: जब बिजली उपलब्ध हो तो उसे तुरंत सोख लें और जब ग्रिड को बढ़ावा देने की आवश्यकता हो तो उसे उतनी ही तेजी से निचोड़ दें। यही सुपरकैपेसिटर (supercapacitors) का काम है। इन्हें ऊर्जा की दुनिया के धावक (sprinters) के रूप में सोचें। बैटरी के विपरीत, जो मैराथन धावक हैं जो बहुत अधिक ऊर्जा संग्रहीत करते हैं लेकिन उन्हें चार्ज और डिस्चार्ज होने में लंबा समय लगता है, सुपरकैपेसिटर सेकंडों में चार्ज हो सकते हैं और लाखों चक्रों तक चल सकते हैं। हालाँकि, इसमें एक पेंच है: इस ऊर्जा को थामने वाले "स्पंज" को बनाने में आमतौर पर पुराने जीवाश्म ईंधन (जैसे कोयला) को खोदना और उन्हें भीषण तापमान पर पकाना शामिल होता है, जो गंदा और अस्थिर है। वैज्ञानिक इस बात की तलाश में हैं कि इन स्पंजों को उन चीजों का उपयोग करके कैसे बनाया जाए जो वापस उग सकती हैं, जैसे कि पौधे, लेकिन उन्हें इन पौधों पर आधारित स्पंजों को जीवाश्म-ईंधन वाले स्पंजों की तरह ही तेज़ और मजबूत होना चाहिए।

यहीं पर हुबेई ऑटोमोटिव टेक्नोलॉजी यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम एक चतुर, प्रकृति से प्रेरित समाधान के साथ सामने आती है। उन्होंने कोयले को देखना बंद करने और उस चीज़ पर ध्यान केंद्रित करने का निर्णय लिया जो आपको एक तालाब में मिल सकती है: कमल के बीज का पॉड (lotus seed pod)। आप उन भूरे, हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते के आकार के) कपों को जानते हैं जो कमल के बीजों को थामे रखते हैं? शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि ये पॉड्स मूल रूप से ऊर्जा भंडारण के लिए प्रकृति के अपने पूर्व-निर्मित मचान (scaffolding) हैं। पॉड के अंदर, खोखली नलियों और छोटे कक्षों का एक प्राकृतिक नेटवर्क है, जो मधुमक्खी के छत्ते की तरह है। एक जटिल संरचना को शून्य से बनाने के बजाय, टीम ने इस प्राकृतिक वास्तुकला को एक ब्लूप्रिंट के रूप में उपयोग करने का निर्णय लिया।

टीम ने इन सूखे कमल के पॉड्स को लिया, उन्हें पाउडर में पीसा, और उन्हें गर्म करने से पहले KOH (पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड) नामक पदार्थ का उपयोग करके एक "रासायनिक स्नान" दिया। यह प्रक्रिया एक हाई-टेक मूर्तिकार की तरह है जो पत्थर के ब्लॉक को तराशता है। गर्मी इस वनस्पति सामग्री को कार्बन में बदल देती है, जबकि रासायनिक स्नान सतह को काटकर सूक्ष्म छिद्रों का एक भूलभुलैया बना देता है। लेकिन यहाँ असली जादू का कमाल है: कमल का पॉड स्वाभाविक रूप से नाइट्रोजन और सल्फर परमाणुओं को धारण करता है। इन तत्वों को बाहर से जोड़ने के बजाय (जो अव्यवस्थित और असमान हो सकता है), गर्मी ने इन परमाणुओं को सीधे कार्बन संरचना के भीतर ही पका दिया। शोधकर्ता इसे "इन-सीटू सेल्फ-डोपिंग" (in-situ self-doping) कहते हैं। यह एक केक को मसाले छिड़कने के बजाय बैटर के अंदर ही मसाले उगाकर सीजन करने जैसा है; स्वाद पूरी तरह से अंदर तक मिश्रित है।

इस प्रक्रिया का परिणाम एक ऐसी सामग्री है जिसे उन्होंने LDCC-5 नाम दिया। जब उन्होंने इसका परीक्षण किया, तो इस सामग्री ने एक चैंपियन की तरह प्रदर्शन किया। एक लैब सेटिंग में, यह भारी मात्रा में विद्युत आवेश संग्रहीत कर सका—0.5 A/g के करंट पर 818.1 F/g (फैराड प्रति ग्राम)। इसे समझने के लिए, इसने अपनी शक्ति को अविश्वसनीय रूप से अच्छी तरह से थामे रखा, उच्च गति पर 10,000 बार चार्ज और डिस्चार्ज होने के बाद भी अपनी क्षमता का 97% बनाए रखा। जब उन्होंने इस सामग्री का उपयोग करके एक पूर्ण सुपरकैपेसिटर डिवाइस बनाया, तो इसने 399.84 W/kg की पावर डेंसिटी पर 49.98 Wh/kg की ऊर्जा घनत्व (energy density) प्रदान की, और 10,000 चक्रों के बाद भी इसने अपनी 89% शक्ति बनाए रखी।

यह इतना अच्छा क्यों काम कर रहा था? शोधकर्ताओं ने पाया कि कमल के पॉड का प्राकृतिक हनीकॉम्ब आकार खाना पकाने की प्रक्रिया के दौरान जीवित रहा, जिससे बड़े "हाईवे" (मैक्रोपोर) बन गए जो आयनों (ऊर्जा ले जाने वाले छोटे आवेशित कणों) को तेजी से अंदर और बाहर जाने देते हैं। फिर रासायनिक स्नान ने इन हाईवे की दीवारों पर लाखों छोटे "पार्किंग स्पॉट" (माइक्रोपोर) तराश दिए ताकि ऊर्जा को संग्रहीत किया जा सके। क्योंकि नाइट्रोजन और सल्फर को कार्बन के भीतर ही पकाया गया था, इसलिए सतह पानी के प्रति अत्यंत अनुकूल (hydrophilic) हो गई, जिसका अर्थ है कि तरल इलेक्ट्रोलाइट तुरंत हर एक कोने और दरार को गीला कर सकता है। यह संयोजन—एक प्राकृतिक हाईवे सिस्टम, पार्किंग स्पॉट की भारी संख्या, और एक ऐसी सतह जो गीला होना पसंद करती है—ने इस सामग्री को उस सामान्य समझौते (trade-off) को पार करने की अनुमति दी जहाँ आपको बहुत अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने या बहुत तेजी से चार्ज होने के बीच किसी एक को चुनना पड़ता है। यह अध्ययन बताता है कि कृषि अपशिष्ट जैसे कमल के पॉड्स का उपयोग करके और प्रकृति की अपनी केमिस्ट्री को मुख्य कार्य करने देकर, हम ऐसे सुपरकैपेसिटर बना सकते हैं जो न केवल उच्च-प्रदर्शन वाले हैं, बल्कि सस्ते, हरित और टिकाऊ भी हैं।