कठोर ऊर्जा समस्याओं को हल करने के लिए आयन सॉफ्ट लैंडिंग का उपयोग करना

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सौजन्य से प्रशांत नॉर्थवेस्ट राष्ट्रीय प्रयोगशाला.
By बेथ मुंडी, पीएनएनएल

हमारी दुनिया को चलाने वाली प्रत्येक तकनीक को मांग पर ऊर्जा की आवश्यकता होती है। ऊर्जा को संग्रहीत किया जाना चाहिए और बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और प्रकाश भवनों तक पहुंच योग्य होनी चाहिए। मांग पर ऊर्जा की आवश्यकता वाले उपकरणों की विस्तृत श्रृंखला ने ऊर्जा भंडारण के लिए कई रणनीतियों के विकास को जन्म दिया है।

बहुत ऊर्जा भंडारण उपकरण ऊर्जा को एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित करने के लिए रासायनिक और विद्युत प्रक्रियाओं को जोड़ते हैं। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप एक इंटरफ़ेस बनता है-क्रिया का वह स्थान जहां दो अलग-अलग सामग्रियां मिलती हैं और रूपांतरित होती हैं। अधिक कुशल, लंबे समय तक चलने वाले ऊर्जा भंडारण उपकरणों को बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को इन इंटरफेस पर और उनके निकट क्या होता है, इसे नियंत्रित करने की आवश्यकता है। लेकिन यह आसान नहीं है.

"अधिकांश शोध एक जटिल इंटरफ़ेस बनाते हैं और फिर इसे समझने की कोशिश करने के लिए उन्नत लक्षण वर्णन तकनीकों का उपयोग करते हैं," कहा ग्रांट जॉनसन, एक रसायनज्ञ at पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी (PNNL) जो पृथक्करण विज्ञान कार्यक्रम का नेतृत्व करता है। “तुलना में, हम संपूर्ण इंटरफ़ेस नहीं बनाते हैं। हम प्रत्येक टुकड़े को अलग से तैयार करते हैं, जिससे हमें अलग-अलग घटकों का अध्ययन करने और वे कैसे बनते हैं, इसका अध्ययन करने की अनुमति मिलती है।

उनके दृष्टिकोण को आयन सॉफ्ट लैंडिंग कहा जाता है। यह तकनीक वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति देती है कि वास्तविक ऊर्जा भंडारण इंटरफेस पर मौजूद व्यक्तिगत आवेशित अणु या आयन, इलेक्ट्रोड सतह और विद्युत क्षमता के साथ कैसे संपर्क करते हैं। यह वास्तविक ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में मौजूद अव्यवस्थित इंटरफेस को केवल एक प्रकार के आयन और सतह के साथ अलग-अलग प्रणालियों में सरल बनाता है। इसके बाद शोधकर्ता इंटरफ़ेस बनाने में प्रत्येक अणु की भूमिका की जांच कर सकते हैं।

कस्टम-निर्मित सेटअप शोधकर्ताओं को आयन सॉफ्ट लैंडिंग प्रयोग करने की अनुमति देता है। (फोटो एंड्रिया स्टार द्वारा | पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी)

ऊर्जा भंडारण में लक्षित अध्ययन के लिए नरम लैंडिंग आयन

आयन सॉफ्ट लैंडिंग शोधकर्ताओं को चार्ज और आकार के आधार पर एकल, विशिष्ट प्रकार के आयन का चयन करने में सक्षम बनाता है। चुने गए आयन फिर एक प्रवाहकीय सतह पर धीरे से उतरते हैं। यह प्रक्रिया चयनित अणुओं और सतह सामग्री की प्रतिक्रियाओं की एक सटीक परिभाषित इंटरफ़ेस विशेषता तैयार करती है।

एक बार इंटरफ़ेस तैयार हो जाने के बाद, शोधकर्ता अन्य उपकरणों का उपयोग यह जांचने के लिए कर सकते हैं कि सतह और अणु कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। इस लक्षण वर्णन से इंटरफ़ेस पर टूटे और बने रासायनिक बंधों की प्रकृति के बारे में जानकारी का पता चलता है।

लिथियम-आयन प्रणालियाँ, जो हमारे कई इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति प्रदान करती हैं, सबसे परिचित ऊर्जा भंडारण उपकरण हो सकती हैं। हालाँकि, पीएनएनएल अनुसंधान टीम और भी अधिक कुशल और संभावित रूप से परिवर्तनकारी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की खोज कर रही है। इनमें लिथियम-सल्फर आयन, लिथियम-आधारित ठोस और लिथियम रसायन से आगे बढ़ना शामिल है। इस शोध के लिए, टीम ऑक्सीजन युक्त सतह के साथ लिथियम धातु पर विभिन्न लिथियम सल्फाइड जैसे अणुओं और नरम भूमि चयनित आयनों के इलेक्ट्रोलाइट समाधान से शुरू करती है।

उन्होंने हाल ही में खोजा एक तरह से नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए लिथियम-सल्फर आयन इंटरफेस पर इन नए ऊर्जा भंडारण उपकरणों के संचालन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। उन्होंने पाया कि आयन लिथियम के बजाय सल्फर की कमी और ऑक्सीकरण रसायन पर केंद्रित कई प्रतिक्रियाओं से गुजरते हैं।

निष्कर्ष ऊर्जा भंडारण उपकरणों में देखे गए सल्फर-ऑक्सीजन बांड और संबंधित प्रतिक्रियाशील अणुओं की प्रकृति की व्याख्या करते हैं। आयन सॉफ्ट लैंडिंग कार्य एक आणविक-स्तरीय स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि लिथियम-सल्फर इंटरफेस पर सल्फर के ऑक्सीकृत रूप क्यों मौजूद हैं। यह समझने से कि मॉडल इंटरफ़ेस पर ये महत्वपूर्ण आयन ठोस सामग्री में कैसे बदल जाते हैं, शोधकर्ताओं को वास्तविक उपकरणों में जटिल इंटरफेस को तोड़ने में मदद मिलती है।

जॉनसन ने कहा, "हर बार जब हम यह पता लगाते हैं कि एक व्यक्तिगत प्रकार का अणु कैसे प्रतिक्रिया करता है, तो हम कुछ नया सीखते हैं जो इंटरफ़ेस गठन के बारे में सामूहिक ज्ञान बनाता है।"

आयन सॉफ्ट लैंडिंग के बाद सब्सट्रेट पर एक नज़र डालना। (फोटो एंड्रिया स्टार द्वारा | पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी)

ऊर्जा भंडारण में शामिल इंटरफेस को समझना

मूल रूप से, पीएनएनएल शोधकर्ताओं ने ऊर्जा विभाग (डीओई) बेसिक एनर्जी साइंसेज सेपरेशन साइंस प्रोग्राम के समर्थन से अपनी आयन सॉफ्ट लैंडिंग क्षमताओं को विकसित किया। उस कार्यक्रम के माध्यम से, केमिकल इंजीनियर वेंकी प्रभाकरन पृथक्करण के लिए विद्युत रासायनिक रूप से सक्रिय इंटरफेस का अध्ययन करने के लिए आयन सॉफ्ट लैंडिंग का उपयोग किया गया। हालाँकि, वह यह देखना चाहते थे कि तकनीक पृथक्करण प्रणालियों से परे क्या कर सकती है। के साथ एक बैठक भौतिक विज्ञानी विजय मुरुगेसन कुछ साल पहले आयन सॉफ्ट लैंडिंग ने ऊर्जा भंडारण की दुनिया में प्रवेश किया था। मुरुगेसन फोकस क्षेत्र का नेतृत्व करते हैं संयुक्त ऊर्जा भंडारण अनुसंधान केंद्र (जेसीईएसआर), एक डीओई इनोवेशन हब।

प्रभाकरन ने कहा, "एक दिन, मेरी विजय से किसी और बात पर मुलाकात हुई और हम अपने शोध के बारे में बात करने लगे।" "हमें जल्दी ही एहसास हुआ कि आयन सॉफ्ट लैंडिंग जेसीईएसआर फोकस क्षेत्र में महत्वपूर्ण सवालों के जवाब देने में मदद करने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण हो सकता है, जिसका नेतृत्व विजय कर रहे हैं।"

ऊर्जा विज्ञान केंद्र में टीम का आगामी कदम उनके काम को सुव्यवस्थित करेगा और उन्हें कुशल सहयोग और प्रयोगात्मक अध्ययन के लिए एक साथ लाएगा।

मुरुगेसन ने कहा, "वर्तमान में, हमें आयन सॉफ्ट लैंडिंग लैब से प्रमुख लक्षण वर्णन उपकरणों तक पहुंचने के लिए कई गलियारों से गुजरना पड़ता है।" हालाँकि यह बहुत दूर नहीं लग सकता है, वह छोटी सी सैर उनके अत्यधिक संवेदनशील और प्रतिक्रियाशील नमूनों के लिए समस्याएँ पैदा करती है। शोधकर्ताओं को नमूनों को हॉल के नीचे तक ले जाने के लिए एक विशेष "वैक्यूम सूटकेस" का उपयोग करना पड़ता है।

प्रभाकरन ने कहा, "ऊर्जा विज्ञान केंद्र में, हमारी प्रयोगशालाएं एक-दूसरे के ठीक बगल में होंगी।" "हमारे पास एक कनेक्टिंग दरवाज़ा होगा!" एक उपकरण से दूसरे उपकरण तक काफी कम चलने का अर्थ है संभावित नमूना क्षरण या संदूषण के लिए कम समय।

एक हालिया नवाचार जिसने टीम को उत्साहित किया है, उसमें एक साथ दो प्रकार के आयनों का चयन करना और जमा करना शामिल है, एक सकारात्मक और एक नकारात्मक। यह दृष्टिकोण ऊर्जा भंडारण उपकरणों का अधिक यथार्थवादी मॉडल बनाता है। विभिन्न आयन एक-दूसरे और सतह के साथ बातचीत करते हैं, जिससे टीम को इंटरफ़ेस पर कार्रवाई को पकड़ने में मदद मिलती है।

इस लेख में उल्लिखित कुछ कार्यों को जेसीईएसआर के हिस्से के रूप में समर्थित किया गया था, जो डीओई, विज्ञान कार्यालय, बेसिक एनर्जी साइंसेज कार्यक्रम द्वारा वित्त पोषित एक ऊर्जा नवाचार केंद्र है। यह टेक्सास ए एंड एम यूनिवर्सिटी के सहयोग से किया गया था। जॉनसन, मुरुगेसन और प्रभाकरन के अलावा, अन्य पीएनएनएल लेखक की हैंकिन्स, सुंगुन वाई, वैथियालिंगम शुट्टानंदन, स्वदीप्त रॉय, हुई वांग, युयान शाओ, सुंथरमपिल्लई थेवुथासन और कार्ल मुलर हैं। कार्य का कुछ भाग निष्पादित किया गया पर्यावरण आणविक विज्ञान प्रयोगशाला में, एक राष्ट्रीय वैज्ञानिक उपयोगकर्ता सुविधा। ऊर्जा विज्ञान केंद्र में भविष्य का काम जारी रहेगा।

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