ज़िंक–एयर बैटरी शोध में इलेक्ट्रोड उत्प्रेरक के रूप में विटामिन B12 का उपयोग

चर्चा में क्यों?

स्पेन के कोर्डोबा विश्वविद्यालय (University of Córdoba) के शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला में एक ऐसी ज़िंक–एयर बैटरी (zinc–air battery) विकसित की है जो एयर इलेक्ट्रोड (air electrode) पर उत्प्रेरक (catalyst) के रूप में विटामिन B12 का उपयोग करती है। यह विटामिन बिजली छोड़ने और सेल को फिर से चार्ज करने से जुड़ी रासायनिक अभिक्रियाओं में मदद करता है। शोध दल की विश्वविद्यालय घोषणा में 250 तक चार्ज–डिसचार्ज चक्रों (charge–discharge cycles) की जानकारी दी गई है। Journal of Materials Chemistry A में प्रकाशित यह अध्ययन बैटरी सामग्रियों में एक जैविक अणु के नए उपयोग की पड़ताल करता है। इसकी मुख्य उपलब्धि B12-आधारित एक ऐसा इलेक्ट्रोड है, जो रिचार्जेबल ज़िंक–एयर सेल के लिए ज़रूरी ऑक्सीजन अभिक्रिया की दोनों दिशाओं को सहारा देता है।

ज़िंक–एयर बैटरी में क्या उपयोग होता है

एक ज़िंक–एयर बैटरी में ज़िंक इलेक्ट्रोड के साथ एक एयर इलेक्ट्रोड जोड़ा जाता है, जो आसपास की हवा से ऑक्सीजन लेता है। डिस्चार्ज के दौरान, ज़िंक और ऑक्सीजन की रासायनिक अभिक्रियाओं से विद्युत ऊर्जा निकलती है। एक बाहरी परिपथ (external circuit) बिजली से चलने वाले उपकरण से होकर इलेक्ट्रॉनों को ले जाता है।

बैटरी के भीतर, इलेक्ट्रोलाइट (electrolyte) आयन (ions) कहलाने वाले आवेशित कणों को गति करने देता है। बाहरी परिपथ में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह और सेल के भीतर आयनों की गति मिलकर आवेश (charge) का संवहन करते हैं। कोर्डोबा के इस शोध में इस्तेमाल किया गया इलेक्ट्रोलाइट जल-आधारित और क्षारीय (alkaline) है।

बाहर से ऑक्सीजन लेने के कारण सेल के भीतर जमा कर रखी जाने वाली अभिक्रियाशील सामग्री की मात्रा कम हो जाती है। श्रवण यंत्रों (hearing aids) जैसे छोटे उपकरणों में ज़िंक–एयर रसायन का उपयोग पहले से किया जा रहा है। इस रसायन को बार-बार काम करने वाली रिचार्जेबल प्रणाली बनाने के लिए उपयुक्त इलेक्ट्रोड सामग्रियों और ऐसी अभिक्रियाओं की आवश्यकता होती है जो दोनों दिशाओं में चल सकें।

B12 उत्प्रेरक का काम

एक उत्प्रेरक किसी रासायनिक अभिक्रिया को अधिक सुगमता से आगे बढ़ने में मदद करता है। विटामिन B12, जिसे कोबालामिन (cobalamin) भी कहा जाता है, की एक बड़ी आणविक संरचना के केंद्र में कोबाल्ट (cobalt) होता है। शोधकर्ता एयर इलेक्ट्रोड पर होने वाली अभिक्रियाओं को सहारा देने के लिए इसी संरचना का उपयोग करते हैं।

डिस्चार्ज के दौरान, एयर इलेक्ट्रोड पर मौजूद ऑक्सीजन ऑक्सीजन अपचयन अभिक्रिया (oxygen reduction reaction) में इलेक्ट्रॉन ग्रहण करती है। चार्जिंग के दौरान, बाहरी बिजली आपूर्ति विपरीत प्रक्रिया को चलाती है, जिसमें ऑक्सीजन मुक्त करने वाली ऑक्सीजन उत्सर्जन अभिक्रिया (oxygen evolution reaction) शामिल है। शोध दल की B12-आधारित सामग्री इन दोनों अभिक्रियाओं को बढ़ावा देती है। यही दोतरफ़ा सक्रियता इस प्रायोगिक सेल को रिचार्जेबल बनाने में मदद करती है।

आरेख में डिस्चार्ज के दौरान ऑक्सीजन द्वारा इलेक्ट्रॉन ग्रहण करना, रिचार्ज के दौरान ऑक्सीजन का मुक्त होना और कार्बन पर टिका B12 उत्प्रेरक दिखाया गया है। — एयर इलेक्ट्रोड दोनों दिशाओं में ऑक्सीजन अभिक्रियाओं को सहारा देता है। क्लैरिटी का मूल वैचारिक आरेख।

विटामिन को कार्बन से क्यों जोड़ा गया?

विटामिन B12 पानी में आसानी से घुल जाता है। इसलिए जल-आधारित सेल में उत्प्रेरक सामग्री को अपनी जगह पर टिकाए रखने के लिए एक उपाय की आवश्यकता होती है। शोध दल ने B12 अणुओं को एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब (single-walled carbon nanotubes) से जोड़ा, जो नली के आकार की अत्यंत सूक्ष्म कार्बन संरचनाएं होती हैं और एक आधार सतह प्रदान करती हैं।

इस संयोजन से आणविक उत्प्रेरक इलेक्ट्रोड के साथ जुड़ा रहता है। साथ ही, यह उत्प्रेरक को एक ऐसी सामग्री का रूप देता है जिसे विद्युत उपकरण में उपयोग किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने इसकी रासायनिक संरचना और विद्युत-रासायनिक (electrochemical) व्यवहार की जांच की ताकि यह समझा जा सके कि यह संयुक्त सामग्री कैसे काम करती है।

प्रयोग क्या दिखाते हैं

विश्वविद्यालय के अनुसार इस प्रोटोटाइप ने 250 तक चार्ज–डिसचार्ज चक्र पूरे किए। एक चक्र में सेल को चार्ज करना और फिर उससे ऊर्जा लेना शामिल होता है। बार-बार दोहराए जाने वाले ये चक्र परखते हैं कि जब अभिक्रियाओं को प्रत्येक दिशा में चलाया जाता है, तो इलेक्ट्रोड किस प्रकार काम करना जारी रखता है।

शोध-पत्र में उपयोग के दौरान क्षमता में आने वाली कमी की भी जांच की गई है। इसका विश्लेषण बताता है कि आगे चलकर क्षमता में आने वाली यह गिरावट उत्प्रेरक की सतह पर ज़िंक-युक्त पदार्थ के जमा होने से जुड़ी है। यह जमाव सक्रिय सामग्री को ढक सकता है और अभिक्रियाओं के आगे बढ़ने को कठिन बना सकता है। इस बदलाव को समझने से यह स्पष्ट होता है कि शुरू में प्रभावी रहने वाले इलेक्ट्रोड की कार्यक्षमता समय के साथ क्यों घट सकती है।

बैटरी-सामग्री पर शोध क्यों मायने रखता है

एक रिचार्जेबल बैटरी में कई गुणों का मेल होना ज़रूरी है: उपयोगी ऊर्जा भंडारण, कुशल चार्जिंग और डिस्चार्जिंग, उपयुक्त कार्यकाल और व्यावहारिक सामग्रियां। इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट पर होने वाला शोध यह परखता है कि सेल के भीतर के रसायन से ये गुण कैसे उत्पन्न होते हैं।

कोर्डोबा का यह अध्ययन इस दिशा में आणविक उत्प्रेरक का एक नया दृष्टिकोण जोड़ता है। इसका डिज़ाइन एक जैविक अणु को कार्बन आधार से जोड़ता है और परखता है कि इससे बना एयर इलेक्ट्रोड कैसा प्रदर्शन करता है। इससे शोधकर्ताओं को आणविक संरचना, ऑक्सीजन अभिक्रियाओं और बैटरी के बार-बार संचालन के बीच के संबंध का अध्ययन करने का एक तरीका मिलता है।

निष्कर्ष

यह शोध एक रिचार्जेबल ज़िंक–एयर प्रोटोटाइप के एयर इलेक्ट्रोड के लिए B12-आधारित उत्प्रेरक को प्रदर्शित करता है। इसका महत्व दोनों ऑक्सीजन अभिक्रियाओं को सहारा देने और यह दिखाने में है कि उत्प्रेरक का जुड़ाव तथा उसकी सतह की स्थिति बार-बार होने वाले उपयोग को कैसे प्रभावित करती है।

स्रोत

मुख्य चित्र: Clarity AI चित्रण।