జింక్–ఎయిర్ బ్యాటరీ పరిశోధనలో ఎలక్ట్రోడ్ ఉత్ప్రేరకంగా విటమిన్ B12 వినియోగం

వార్తల్లో ఎందుకు ఉంది?

స్పెయిన్‌లోని కోర్డోబా విశ్వవిద్యాలయం (University of Córdoba) పరిశోధకులు ప్రయోగశాలలో ఒక జింక్–ఎయిర్ బ్యాటరీని (zinc–air battery) అభివృద్ధి చేశారు; ఇది ఎయిర్ ఎలక్ట్రోడ్ (air electrode) వద్ద ఉత్ప్రేరకంగా (catalyst) విటమిన్ B12ను ఉపయోగిస్తుంది. విద్యుత్తును విడుదల చేయడంలోనూ, సెల్‌ను తిరిగి ఛార్జ్ చేయడంలోనూ జరిగే రసాయన చర్యలకు ఈ విటమిన్ సహాయపడుతుంది. పరిశోధక బృందం యొక్క విశ్వవిద్యాలయ ప్రకటన 250 వరకు ఛార్జ్–డిశ్ఛార్జ్ చక్రాలను (charge–discharge cycles) నివేదించింది. Journal of Materials Chemistry Aలో ప్రచురితమైన ఈ అధ్యయనం, బ్యాటరీ పదార్థాలలో ఒక జీవ అణువు యొక్క కొత్త వినియోగాన్ని పరిశీలిస్తుంది. రీఛార్జబుల్ జింక్–ఎయిర్ సెల్‌కు అవసరమైన ఆక్సిజన్ చర్య యొక్క రెండు దిశలకూ మద్దతు ఇచ్చే B12-ఆధారిత ఎలక్ట్రోడ్ ఇందులోని ప్రధాన పురోగతి.

జింక్–ఎయిర్ బ్యాటరీ దేనిని ఉపయోగిస్తుంది

ఒక జింక్–ఎయిర్ బ్యాటరీ జింక్ ఎలక్ట్రోడ్‌ను, చుట్టూ ఉన్న గాలి నుండి ఆక్సిజన్‌ను ఉపయోగించుకునే ఎయిర్ ఎలక్ట్రోడ్‌తో కలుపుతుంది. డిశ్ఛార్జ్ సమయంలో, జింక్ మరియు ఆక్సిజన్‌తో కూడిన రసాయన చర్యలు విద్యుత్ శక్తిని విడుదల చేస్తాయి. ఒక బాహ్య వలయం (external circuit) విద్యుత్తుతో నడిచే పరికరం గుండా ఎలక్ట్రాన్లను తీసుకెళ్తుంది.

బ్యాటరీ లోపల, అయాన్లు (ions) అని పిలిచే ఆవేశిత కణాలు కదలడానికి ఎలక్ట్రోలైట్ (electrolyte) వీలు కల్పిస్తుంది. బాహ్య వలయంలో ఎలక్ట్రాన్ల కదలిక మరియు సెల్ లోపల అయాన్ల కదలిక కలిసి ఆవేశాన్ని (charge) మోసుకెళ్లడానికి పనిచేస్తాయి. కోర్డోబా పరిశోధనలో, ఈ ఎలక్ట్రోలైట్ నీటి-ఆధారితమైనది మరియు క్షార (alkaline) స్వభావం కలిగినది.

బయటి నుండి ఆక్సిజన్‌ను తీసుకోవడం వల్ల సెల్ లోపల నిల్వ చేయాల్సిన చర్య జరిపే పదార్థ పరిమాణం తగ్గుతుంది. వినికిడి యంత్రాల (hearing aids) వంటి చిన్న పరికరాలలో జింక్–ఎయిర్ రసాయన శాస్త్రాన్ని ఇప్పటికే ఉపయోగిస్తున్నారు. ఈ రసాయన ప్రక్రియను రీఛార్జబుల్ వ్యవస్థగా మాటిమాటికీ పనిచేసేలా చేయడానికి తగిన ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాలు, అలాగే రెండు దిశలలోనూ నడవగల రసాయన చర్యలు అవసరం.

B12 ఉత్ప్రేరకం పని

ఒక ఉత్ప్రేరకం రసాయన చర్య మరింత సులభంగా సాగడానికి సహాయపడుతుంది. కోబాలమిన్ (cobalamin) అని కూడా పిలిచే విటమిన్ B12లో, ఒక పెద్ద అణు నిర్మాణం లోపల కోబాల్ట్ (cobalt) కేంద్రం ఉంటుంది. ఎయిర్ ఎలక్ట్రోడ్ వద్ద జరిగే చర్యలకు మద్దతు ఇవ్వడానికి పరిశోధకులు ఈ నిర్మాణాన్ని ఉపయోగిస్తారు.

డిశ్ఛార్జ్ సమయంలో, ఎయిర్ ఎలక్ట్రోడ్ వద్ద ఉన్న ఆక్సిజన్ ఆక్సిజన్ క్షయకరణ చర్యలో (oxygen reduction reaction) ఎలక్ట్రాన్లను స్వీకరిస్తుంది. ఛార్జింగ్ సమయంలో, బాహ్య విద్యుత్ సరఫరా ఆక్సిజన్‌ను విడుదల చేసే ఆక్సిజన్ విడుదల చర్య (oxygen evolution reaction)తో సహా వ్యతిరేక ప్రక్రియను నడిపిస్తుంది. పరిశోధక బృందం రూపొందించిన B12-ఆధారిత పదార్థం ఈ రెండు చర్యలనూ ప్రోత్సహిస్తుంది. ఈ ద్విముఖ కార్యాచరణే ప్రయోగాత్మక సెల్‌ను రీఛార్జబుల్‌గా మార్చడంలో సహాయపడే ప్రధాన లక్షణం.

డిశ్ఛార్జ్ సమయంలో ఆక్సిజన్ ఎలక్ట్రాన్లను స్వీకరించడం, రీఛార్జ్ సమయంలో ఆక్సిజన్ విడుదల కావడం, మరియు కార్బన్‌పై నిలిపి ఉంచిన B12 ఉత్ప్రేరకాన్ని ఈ రేఖాచిత్రం చూపుతుంది. — ఎయిర్ ఎలక్ట్రోడ్ రెండు దిశలలోనూ ఆక్సిజన్ చర్యలకు మద్దతు ఇస్తుంది. క్లారిటీ అసలు భావనాత్మక రేఖాచిత్రం.

విటమిన్‌ను కార్బన్‌కు ఎందుకు జోడించాలి?

విటమిన్ B12 నీటిలో సులభంగా కరిగిపోతుంది. అందువల్ల నీటి-ఆధారిత సెల్‌లో ఉత్ప్రేరక పదార్థాన్ని తన స్థానంలో పట్టి ఉంచడానికి ఒక మార్గం అవసరం. పరిశోధక బృందం B12 అణువులను ఏక-గోడ కార్బన్ నానోట్యూబ్‌లకు (single-walled carbon nanotubes) జోడించింది; ఇవి ఆధార ఉపరితలాన్ని అందించే గొట్టం ఆకారపు అతి సూక్ష్మ కార్బన్ నిర్మాణాలు.

దీనివల్ల ఏర్పడిన కలయిక అణు ఉత్ప్రేరకాన్ని ఎలక్ట్రోడ్‌తో అనుసంధానమై ఉండేలా చేస్తుంది. అంతేకాకుండా, ఇది ఉత్ప్రేరకాన్ని ఒక విద్యుత్ పరికరంలో ఉపయోగించగల పదార్థ రూపంలోకి తీసుకువస్తుంది. ఈ సంయుక్త పదార్థం ఎలా పనిచేస్తుందో అర్థం చేసుకోవడానికి పరిశోధకులు దాని రసాయన నిర్మాణాన్ని మరియు విద్యుత్-రసాయన (electrochemical) ప్రవర్తనను పరీక్షించారు.

ప్రయోగాలు ఏమి చూపిస్తున్నాయి

ఈ నమూనా (prototype) 250 వరకు ఛార్జ్–డిశ్ఛార్జ్ చక్రాలను సాధించిందని విశ్వవిద్యాలయం నివేదించింది. ఒక చక్రంలో సెల్‌ను ఛార్జ్ చేయడం, ఆపై దాని నుండి శక్తిని పొందడం ఉంటాయి. చర్యలను ఒక్కో దిశలో నడిపించినప్పుడు ఎలక్ట్రోడ్ ఎలా పనిచేస్తూనే ఉంటుందో పునరావృత చక్రాలు పరీక్షిస్తాయి.

వినియోగ సమయంలో సామర్థ్యం తగ్గడాన్ని కూడా ఈ పరిశోధనా పత్రం పరిశీలిస్తుంది. ఉత్ప్రేరక ఉపరితలంపై జింక్-కూడిన పదార్థం పేరుకుపోవడాన్ని క్రమంగా వచ్చే సామర్థ్య తగ్గుదలతో దీని విశ్లేషణ ముడిపెడుతుంది. ఇది క్రియాశీల పదార్థాన్ని కప్పివేసి, రసాయన చర్యలు ముందుకు సాగడాన్ని కష్టతరం చేస్తుంది. ఆ మార్పును అర్థం చేసుకోవడం వల్ల, ప్రారంభంలో సమర్థంగా పనిచేసిన ఎలక్ట్రోడ్ కాలక్రమేణా తన పనితీరును ఎందుకు కోల్పోతుందో వివరించడం సులభమవుతుంది.

బ్యాటరీ-పదార్థ పరిశోధన ఎందుకు ముఖ్యమైనది

ఒక రీఛార్జబుల్ బ్యాటరీలో అనేక లక్షణాలు కలసి ఉండాలి: ఉపయోగకరమైన శక్తి నిల్వ, సమర్థవంతమైన ఛార్జింగ్ మరియు డిశ్ఛార్జింగ్, తగిన జీవితకాలం మరియు ఆచరణాత్మక పదార్థాలు. సెల్ లోపలి రసాయన శాస్త్రం నుండి ఆ లక్షణాలు ఎలా ఏర్పడతాయో ఎలక్ట్రోడ్‌లు మరియు ఎలక్ట్రోలైట్‌పై జరిగే పరిశోధన పరిశీలిస్తుంది.

కోర్డోబా అధ్యయనం ఆ పనికి అణు ఉత్ప్రేరక విధానాన్ని జోడిస్తుంది. దీని రూపకల్పన ఒక జీవ అణువును కార్బన్ ఆధారంతో అనుసంధానించి, తద్వారా ఏర్పడే ఎయిర్ ఎలక్ట్రోడ్ ఎలా పనిచేస్తుందో పరీక్షిస్తుంది. అణు నిర్మాణం, ఆక్సిజన్ చర్యలు మరియు బ్యాటరీని మాటిమాటికీ వినియోగించడం మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి ఇది పరిశోధకులకు ఒక మార్గాన్ని అందిస్తుంది.

ముగింపు

రీఛార్జబుల్ జింక్–ఎయిర్ నమూనాలోని ఎయిర్ ఎలక్ట్రోడ్ కోసం B12-ఆధారిత ఉత్ప్రేరకాన్ని ఈ పరిశోధన నిరూపిస్తుంది. రెండు ఆక్సిజన్ చర్యలకూ మద్దతు ఇవ్వడంలోనూ, ఉత్ప్రేరకం యొక్క జోడింపు మరియు ఉపరితల స్థితి పునరావృత వినియోగాన్ని ఎలా ప్రభావితం చేస్తాయో చూపడంలోనూ దీని ప్రాముఖ్యత దాగి ఉంది.

మూలాలు

ప్రధాన చిత్రం: Clarity AI చిత్రణ.