സിങ്ക്–എയർ ബാറ്ററി ഗവേഷണത്തിൽ ഇലക്ട്രോഡ് ഉൽപ്രേരകമായി വിറ്റാമിൻ B12 ഉപയോഗിക്കുന്നു

വാർത്തകളിൽ എന്തുകൊണ്ട്?

സ്പെയിനിലെ കോർഡോബ സർവകലാശാലയിലെ (University of Córdoba) ഗവേഷകർ പരീക്ഷണശാലയിൽ ഒരു സിങ്ക്–എയർ ബാറ്ററി (zinc–air battery) വികസിപ്പിച്ചെടുത്തു; ഇത് എയർ ഇലക്ട്രോഡിൽ (air electrode) ഉൽപ്രേരകമായി (catalyst) വിറ്റാമിൻ B12 ഉപയോഗിക്കുന്നു. വൈദ്യുതി പുറത്തുവിടുന്നതിനും സെൽ വീണ്ടും ചാർജ് ചെയ്യുന്നതിനും സഹായിക്കുന്ന രാസപ്രവർത്തനങ്ങളെ ഈ വിറ്റാമിൻ തുണയ്ക്കുന്നു. ഗവേഷകസംഘത്തിന്റെ സർവകലാശാലാ അറിയിപ്പിൽ 250 വരെ ചാർജ്–ഡിസ്ചാർജ് ചക്രങ്ങൾ (charge–discharge cycles) രേഖപ്പെടുത്തിയിട്ടുണ്ട്. Journal of Materials Chemistry A എന്ന ജേണലിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ഈ പഠനം, ബാറ്ററി പദാർത്ഥങ്ങളിൽ ഒരു ജൈവ തന്മാത്രയുടെ പുതിയ ഉപയോഗം പരിശോധിക്കുന്നു. റീചാർജ് ചെയ്യാവുന്ന സിങ്ക്–എയർ സെല്ലിന് ആവശ്യമായ ഓക്സിജൻ രാസപ്രവർത്തനത്തിന്റെ രണ്ടു ദിശകളെയും പിന്തുണയ്ക്കുന്ന B12-അധിഷ്ഠിത ഇലക്ട്രോഡാണ് ഇതിലെ പ്രധാന മുന്നേറ്റം.

ഒരു സിങ്ക്–എയർ ബാറ്ററി ഉപയോഗിക്കുന്നത് എന്തെല്ലാം

ഒരു സിങ്ക്–എയർ ബാറ്ററി ഒരു സിങ്ക് ഇലക്ട്രോഡിനെ ചുറ്റുമുള്ള വായുവിൽനിന്ന് ഓക്സിജൻ സ്വീകരിക്കുന്ന എയർ ഇലക്ട്രോഡുമായി സംയോജിപ്പിക്കുന്നു. ഡിസ്ചാർജ് നടക്കുമ്പോൾ, സിങ്കും ഓക്സിജനും ഉൾപ്പെടുന്ന രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ വൈദ്യുതോർജ്ജം പുറത്തുവിടുന്നു. ഒരു ബാഹ്യ സർക്യൂട്ട് (external circuit) പ്രവർത്തിപ്പിക്കേണ്ട ഉപകരണത്തിലൂടെ ഇലക്ട്രോണുകളെ കടത്തിവിടുന്നു.

ബാറ്ററിക്കുള്ളിൽ, അയോണുകൾ (ions) എന്നറിയപ്പെടുന്ന ചാർജുള്ള കണികകളെ സഞ്ചരിക്കാൻ ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് (electrolyte) അനുവദിക്കുന്നു. ബാഹ്യ സർക്യൂട്ടിലെ ഇലക്ട്രോൺ സഞ്ചാരവും സെല്ലിനുള്ളിലെ അയോൺ സഞ്ചാരവും ചേർന്നാണ് ചാർജ് വഹിക്കുന്നത്. കോർഡോബയിലെ ഈ ഗവേഷണത്തിൽ, ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ജല-അധിഷ്ഠിതവും ക്ഷാരസ്വഭാവമുള്ളതുമാണ് (alkaline).

പുറത്തുനിന്ന് ഓക്സിജൻ സ്വീകരിക്കുന്നത് സെല്ലിനുള്ളിൽ സൂക്ഷിക്കേണ്ട രാസപ്രവർത്തന പദാർത്ഥങ്ങളുടെ അളവ് കുറയ്ക്കുന്നു. ശ്രവണസഹായികൾ (hearing aids) പോലുള്ള ചെറിയ ഉപകരണങ്ങളിൽ സിങ്ക്–എയർ രസതന്ത്രം ഇതിനകം ഉപയോഗിക്കുന്നുണ്ട്. റീചാർജ് ചെയ്യാവുന്ന ഒരു സംവിധാനമായി ഈ രസതന്ത്രം ആവർത്തിച്ചു പ്രവർത്തിക്കണമെങ്കിൽ അനുയോജ്യമായ ഇലക്ട്രോഡ് പദാർത്ഥങ്ങളും രണ്ടു ദിശകളിലേക്കും നടക്കാൻ കഴിയുന്ന രാസപ്രവർത്തനങ്ങളും ആവശ്യമാണ്.

B12 ഉൽപ്രേരകത്തിന്റെ ധർമ്മം

ഒരു ഉൽപ്രേരകം രാസപ്രവർത്തനം കൂടുതൽ എളുപ്പത്തിൽ നടക്കാൻ സഹായിക്കുന്നു. കൊബാലമിൻ (cobalamin) എന്നും വിളിക്കപ്പെടുന്ന വിറ്റാമിൻ B12-ൽ ഒരു വലിയ തന്മാത്രാ ഘടനയ്ക്കുള്ളിൽ കൊബാൾട്ട് (cobalt) കേന്ദ്രമാണുള്ളത്. എയർ ഇലക്ട്രോഡിലെ രാസപ്രവർത്തനങ്ങളെ പിന്തുണയ്ക്കാൻ ഗവേഷകർ ഈ ഘടന ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ഡിസ്ചാർജ് സമയത്ത്, എയർ ഇലക്ട്രോഡിലെ ഓക്സിജൻ ഓക്സിജൻ നിരോക്സീകരണ രാസപ്രവർത്തനത്തിലൂടെ (oxygen reduction reaction) ഇലക്ട്രോണുകൾ സ്വീകരിക്കുന്നു. ചാർജ് ചെയ്യുന്ന സമയത്ത്, പുറത്തുനിന്നുള്ള വൈദ്യുതി പ്രവാഹം ഓക്സിജൻ പുറത്തുവിടുന്ന ഓക്സിജൻ വിമോചന രാസപ്രവർത്തനം (oxygen evolution reaction) ഉൾപ്പെടെയുള്ള വിപരീത പ്രക്രിയയെ നയിക്കുന്നു. ഗവേഷകസംഘത്തിന്റെ B12-അധിഷ്ഠിത പദാർത്ഥം ഈ രണ്ടു രാസപ്രവർത്തനങ്ങളെയും പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുന്നു. ഈ ഉഭയദിശാ പ്രവർത്തനമാണ് പരീക്ഷണാടിസ്ഥാനത്തിലുള്ള സെല്ലിനെ റീചാർജ് ചെയ്യാൻ കഴിയുന്നതാക്കി മാറ്റുന്ന സവിശേഷത.

ഡിസ്ചാർജ് സമയത്ത് ഓക്സിജൻ ഇലക്ട്രോണുകൾ സ്വീകരിക്കുന്നതും, റീചാർജ് സമയത്ത് ഓക്സിജൻ പുറത്തുവിടുന്നതും, കാർബണിൽ ഉറപ്പിച്ചിട്ടുള്ള B12 ഉൽപ്രേരകവും ചിത്രം കാണിക്കുന്നു. — എയർ ഇലക്ട്രോഡ് രണ്ടു ദിശകളിലുമുള്ള ഓക്സിജൻ രാസപ്രവർത്തനങ്ങളെ പിന്തുണയ്ക്കുന്നു. ക്ലാരിറ്റിയുടെ തനത് ആശയ രേഖാചിത്രം.

വിറ്റാമിനെ കാർബണുമായി ബന്ധിപ്പിക്കുന്നത് എന്തുകൊണ്ട്?

വിറ്റാമിൻ B12 വെള്ളത്തിൽ വേഗത്തിൽ ലയിക്കുന്നു. അതിനാൽ ജല-അധിഷ്ഠിത സെല്ലിൽ ഉൽപ്രേരക പദാർത്ഥത്തെ സ്ഥാനത്തുനിന്ന് മാറാതെ പിടിച്ചുനിർത്താൻ ഒരു മാർഗ്ഗം ആവശ്യമാണ്. ഗവേഷകസംഘം B12 തന്മാത്രകളെ ഒറ്റഭിത്തിയുള്ള കാർബൺ നാനോട്യൂബുകളുമായി (single-walled carbon nanotubes) ബന്ധിപ്പിച്ചു; താങ്ങായി പ്രവർത്തിക്കുന്ന പ്രതലം നൽകുന്ന കുഴൽരൂപത്തിലുള്ള അതിസൂക്ഷ്മ കാർബൺ ഘടനകളാണിവ.

ഇതുവഴി രൂപപ്പെടുന്ന സംയുക്തം തന്മാത്രാ ഉൽപ്രേരകത്തെ ഇലക്ട്രോഡുമായി ചേർത്തുനിർത്തുന്നു. കൂടാതെ, ഒരു വൈദ്യുത ഉപകരണത്തിൽ ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയുന്ന പദാർത്ഥത്തിലേക്ക് ഉൽപ്രേരകത്തെ ഇത് എത്തിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. സംയോജിത പദാർത്ഥം എങ്ങനെ പ്രവർത്തിക്കുന്നുവെന്ന് മനസ്സിലാക്കാൻ ഗവേഷകർ അതിന്റെ രാസഘടനയും വൈദ്യുത-രാസ (electrochemical) സ്വഭാവവും പരിശോധിച്ചു.

പരീക്ഷണങ്ങൾ കാണിക്കുന്നത് എന്ത്

ഈ പ്രോട്ടോടൈപ്പ് 250 വരെ ചാർജ്–ഡിസ്ചാർജ് ചക്രങ്ങൾ കൈവരിച്ചതായി സർവകലാശാല റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യുന്നു. സെൽ ചാർജ് ചെയ്യുന്നതും തുടർന്ന് അതിൽനിന്ന് ഊർജ്ജം എടുക്കുന്നതുമാണ് ഒരു ചക്രം. രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ ഓരോ ദിശയിലേക്കും നയിക്കപ്പെടുമ്പോൾ ഇലക്ട്രോഡ് എങ്ങനെ തുടർന്നും പ്രവർത്തിക്കുന്നുവെന്ന് ആവർത്തിച്ചുള്ള ചക്രങ്ങളിലൂടെ പരീക്ഷിച്ചറിയുന്നു.

ഉപയോഗത്തിനിടയിൽ ശേഷി കുറഞ്ഞുവരുന്നതിനെക്കുറിച്ചും ഗവേഷണ പ്രബന്ധം പരിശോധിക്കുന്നുണ്ട്. ഉൽപ്രേരകത്തിന്റെ പ്രതലത്തിൽ സിങ്ക് അടങ്ങിയ പദാർത്ഥം അടിഞ്ഞുകൂടുന്നതിനെയാണ് ക്രമേണയുള്ള ഈ ശേഷിക്കുറവുമായി പഠനവിശകലനം ബന്ധിപ്പിക്കുന്നത്. ഇത് സജീവ പദാർത്ഥത്തെ മൂടാനും രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ മുന്നോട്ടുപോകുന്നത് പ്രയാസകരമാക്കാനും ഇടയാക്കും. തുടക്കത്തിൽ കാര്യക്ഷമമായി പ്രവർത്തിക്കുന്ന ഒരു ഇലക്ട്രോഡിന്റെ പ്രവർത്തനക്ഷമത കാലക്രമേണ കുറയുന്നത് എന്തുകൊണ്ടെന്ന് വിശദീകരിക്കാൻ ഈ മാറ്റം മനസ്സിലാക്കുന്നത് സഹായിക്കുന്നു.

ബാറ്ററി-പദാർത്ഥ ഗവേഷണം പ്രധാനമാകുന്നത് എന്തുകൊണ്ട്

റീചാർജ് ചെയ്യാവുന്ന ഒരു ബാറ്ററിയിൽ പല ഗുണങ്ങൾ ഒത്തുചേരേണ്ടതുണ്ട്: ഉപകാരപ്രദമായ ഊർജ്ജ സംഭരണം, കാര്യക്ഷമമായ ചാർജിങ്ങും ഡിസ്ചാർജിങ്ങും, അനുയോജ്യമായ ആയുസ്സും പ്രായോഗികമായ പദാർത്ഥങ്ങളും. സെല്ലിനുള്ളിലെ രസതന്ത്രത്തിൽനിന്ന് ഈ സവിശേഷതകൾ എങ്ങനെ ഉണ്ടാകുന്നുവെന്നാണ് ഇലക്ട്രോഡുകളെയും ഇലക്ട്രോലൈറ്റിനെയും കുറിച്ചുള്ള ഗവേഷണം പരിശോധിക്കുന്നത്.

കോർഡോബ പഠനം ആ മേഖലയിലേക്ക് ഒരു തന്മാത്രാ ഉൽപ്രേരക സമീപനം കൂട്ടിച്ചേർക്കുന്നു. ഇതിന്റെ രൂപകൽപ്പന ഒരു ജൈവ തന്മാത്രയെ കാർബൺ താങ്ങുമായി ബന്ധിപ്പിക്കുകയും അതുവഴി രൂപപ്പെടുന്ന എയർ ഇലക്ട്രോഡ് എങ്ങനെ പ്രവർത്തിക്കുന്നുവെന്ന് പരീക്ഷിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. തന്മാത്രാ ഘടന, ഓക്സിജൻ രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ, ബാറ്ററിയുടെ ആവർത്തിച്ചുള്ള പ്രവർത്തനം എന്നിവ തമ്മിലുള്ള ബന്ധം പഠിക്കാൻ ഇത് ഗവേഷകർക്ക് ഒരു വഴി നൽകുന്നു.

ഉപസംഹാരം

റീചാർജ് ചെയ്യാവുന്ന സിങ്ക്–എയർ പ്രോട്ടോടൈപ്പിന്റെ എയർ ഇലക്ട്രോഡിനായി B12-അധിഷ്ഠിത ഉൽപ്രേരകത്തെ ഈ ഗവേഷണം പരിചയപ്പെടുത്തുന്നു. രണ്ടു ദിശകളിലുമുള്ള ഓക്സിജൻ രാസപ്രവർത്തനങ്ങളെ പിന്തുണയ്ക്കുന്നതിലും, ഉൽപ്രേരകത്തിന്റെ ബന്ധിപ്പിക്കലും പ്രതലത്തിന്റെ അവസ്ഥയും ആവർത്തിച്ചുള്ള ഉപയോഗത്തെ എങ്ങനെ ബാധിക്കുന്നുവെന്ന് കാണിക്കുന്നതിലുമാണ് ഇതിന്റെ പ്രാധാന്യം.

ഉറവിടങ്ങൾ

പ്രധാന ചിത്രം: Clarity AI ചിത്രീകരണം.