সুপারক্যাপাসিটর হল একটি উপযুক্ত নামযুক্ত ডিভাইস যা প্রচলিত ব্যাটারির চেয়ে দ্রুত শক্তি সঞ্চয় এবং সরবরাহ করতে পারে। তারা বৈদ্যুতিক গাড়ি, বেতার টেলিযোগাযোগ এবং উচ্চ-পাওয়ার লেজার সহ অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য উচ্চ চাহিদা রয়েছে।

কিন্তু এই অ্যাপ্লিকেশনগুলি উপলব্ধি করার জন্য, সুপারক্যাপাসিটরগুলির আরও ভাল ইলেক্ট্রোড প্রয়োজন, যা তাদের শক্তির উপর নির্ভর করে এমন ডিভাইসগুলির সাথে সুপারক্যাপাসিটরকে সংযুক্ত করে। এই ইলেক্ট্রোডগুলিকে বড় আকারে তৈরি করতে দ্রুত এবং সস্তা উভয়ই হতে হবে এবং তাদের বৈদ্যুতিক লোড দ্রুত চার্জ এবং ডিসচার্জ করতে সক্ষম হবে। ওয়াশিংটন বিশ্ববিদ্যালয়ের ইঞ্জিনিয়ারদের একটি দল মনে করে যে তারা সুপারক্যাপাসিটর ইলেক্ট্রোড উপকরণ তৈরির জন্য একটি প্রক্রিয়া নিয়ে এসেছেন যা এই কঠোর শিল্প এবং ব্যবহারের চাহিদা মেটাবে।

পদার্থ বিজ্ঞান এবং প্রকৌশলের UW সহকারী অধ্যাপক পিটার পজাউস্কির নেতৃত্বে গবেষকরা 17 জুলাই নেচার মাইক্রোসিস্টেম এবং ন্যানোইঞ্জিনিয়ারিং জার্নালে তাদের সুপারক্যাপাসিটর ইলেক্ট্রোড এবং দ্রুত, সস্তা উপায়ে এটি তৈরি করার বিষয়ে একটি গবেষণাপত্র প্রকাশ করেছেন। তাদের অভিনব পদ্ধতিটি কার্বন-সমৃদ্ধ পদার্থ দিয়ে শুরু হয় যা একটি কম ঘনত্বের ম্যাট্রিক্সে শুকানো হয়েছে যাকে অ্যারোজেল বলা হয়। এই এয়ারজেলটি নিজে থেকেই একটি অপরিশোধিত ইলেক্ট্রোড হিসাবে কাজ করতে পারে, তবে পজাউস্কির দল এর ধারণক্ষমতা দ্বিগুণেরও বেশি, যা বৈদ্যুতিক চার্জ সঞ্চয় করার ক্ষমতা।

এই সস্তা প্রারম্ভিক উপকরণ, একটি সুবিন্যস্ত সংশ্লেষণ প্রক্রিয়ার সাথে মিলিত, শিল্প প্রয়োগে দুটি সাধারণ বাধা কমিয়ে দেয়: খরচ এবং গতি।

"শিল্প অ্যাপ্লিকেশনে, সময় হল অর্থ," পজাউস্কি বলেছেন। “আমরা এই ইলেক্ট্রোডগুলির জন্য শুরুর উপকরণগুলি সপ্তাহের চেয়ে ঘন্টার মধ্যে তৈরি করতে পারি। এবং এটি উচ্চ-পারফরম্যান্স সুপারক্যাপাসিটর ইলেক্ট্রোড তৈরির জন্য সংশ্লেষণের খরচ উল্লেখযোগ্যভাবে কমিয়ে দিতে পারে।"

কার্যকরী সুপারক্যাপাসিটর ইলেক্ট্রোডগুলি কার্বন-সমৃদ্ধ পদার্থ থেকে সংশ্লেষিত হয় যার উচ্চ পৃষ্ঠের ক্ষেত্রও রয়েছে। সুপারক্যাপাসিটারগুলি বৈদ্যুতিক চার্জ সঞ্চয় করার অনন্য উপায়ের কারণে পরবর্তী প্রয়োজনীয়তাটি গুরুত্বপূর্ণ। একটি প্রচলিত ব্যাটারি তার মধ্যে ঘটতে থাকা রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে বৈদ্যুতিক চার্জ সঞ্চয় করলে, একটি সুপারক্যাপাসিটর তার পৃষ্ঠায় সরাসরি ইতিবাচক এবং নেতিবাচক চার্জ সঞ্চয় করে এবং পৃথক করে।

"সুপারক্যাপাসিটরগুলি ব্যাটারির তুলনায় অনেক দ্রুত কাজ করতে পারে কারণ তারা প্রতিক্রিয়ার গতি বা উপজাত তৈরি করতে পারে তা দ্বারা সীমাবদ্ধ নয়," বলেছেন সহ-প্রধান লেখক ম্যাথিউ লিম, পদার্থ বিজ্ঞান ও প্রকৌশল বিভাগের একজন ইউডব্লিউ ডক্টরাল ছাত্র। "সুপারক্যাপাসিটারগুলি খুব দ্রুত চার্জ এবং ডিসচার্জ করতে পারে, এই কারণেই তারা এই 'ডাল' শক্তি সরবরাহ করতে দুর্দান্ত।"

ইউডাব্লু ডিপার্টমেন্ট অফ কেমিক্যাল ইঞ্জিনিয়ারিং-এর ডক্টরেট ছাত্র সহ লিড লেখক ম্যাথিউ ক্রেন বলেছেন, "সেটিংসে তাদের দুর্দান্ত অ্যাপ্লিকেশন রয়েছে যেখানে একটি ব্যাটারি নিজেই খুব ধীর হয়।" "এমন মুহূর্তে যেখানে একটি ব্যাটারি শক্তির চাহিদা মেটাতে খুব ধীর, একটি উচ্চ পৃষ্ঠতলের ইলেক্ট্রোড সহ একটি সুপারক্যাপাসিটর দ্রুত 'কিক' করতে পারে এবং শক্তির ঘাটতি পূরণ করতে পারে।"

একটি দক্ষ ইলেক্ট্রোডের জন্য উচ্চ পৃষ্ঠের এলাকা পেতে, দলটি অ্যারোজেল ব্যবহার করেছিল। এগুলি হল ভেজা, জেলের মতো পদার্থ যেগুলি তাদের তরল উপাদানগুলিকে বায়ু বা অন্য গ্যাস দিয়ে প্রতিস্থাপন করার জন্য শুকানোর এবং গরম করার একটি বিশেষ চিকিত্সার মধ্য দিয়ে গেছে। এই পদ্ধতিগুলি জেলের 3-ডি গঠন সংরক্ষণ করে, এটি একটি উচ্চ পৃষ্ঠের এলাকা এবং অত্যন্ত কম ঘনত্ব দেয়। এটা কোন সঙ্কুচিত ছাড়া জেল-ও থেকে সমস্ত জল সরিয়ে ফেলার মত।

"এক গ্রাম এয়ারজেল একটি ফুটবল মাঠের সমান পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল ধারণ করে," পজাউস্কি বলেছিলেন।

ক্রেন জেলের মতো পলিমার থেকে অ্যারোজেল তৈরি করে, যা ফর্মালডিহাইড এবং অন্যান্য কার্বন-ভিত্তিক অণু থেকে তৈরি করা কাঠামোগত ইউনিটগুলির পুনরাবৃত্তি সহ একটি উপাদান। এটি নিশ্চিত করেছে যে তাদের ডিভাইস, আজকের সুপারক্যাপাসিটর ইলেক্ট্রোডের মতো, কার্বন-সমৃদ্ধ উপকরণগুলি নিয়ে গঠিত হবে।

পূর্বে, লিম দেখিয়েছিলেন যে গ্রাফিন-যা কার্বনের একটি শীট মাত্র এক পরমাণু পুরু-জেলে যোগ করা ফলে এয়ারজেলকে সুপারক্যাপাসিটর বৈশিষ্ট্যযুক্ত করে। কিন্তু, অ্যারোজেলের কর্মক্ষমতা উন্নত করতে এবং সংশ্লেষণ প্রক্রিয়াটিকে সস্তা এবং সহজ করতে লিম এবং ক্রেন প্রয়োজন।

লিমের পূর্ববর্তী পরীক্ষাগুলিতে, গ্রাফিন যোগ করা অ্যারোজেলের ক্যাপাসিট্যান্সকে উন্নত করেনি। তাই তারা পরিবর্তে মলিবডেনাম ডিসালফাইড বা টাংস্টেন ডিসালফাইডের পাতলা চাদর দিয়ে অ্যারোজেল লোড করে। উভয় রাসায়নিক আজ শিল্প লুব্রিকেন্টে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

গবেষকরা উভয় উপাদানকে উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি শব্দ তরঙ্গ দিয়ে চিকিত্সা করেছিলেন যাতে সেগুলিকে পাতলা শীটে বিভক্ত করা হয় এবং সেগুলিকে কার্বন-সমৃদ্ধ জেল ম্যাট্রিক্সে অন্তর্ভুক্ত করে। তারা দুই ঘণ্টারও কম সময়ে একটি সম্পূর্ণ লোড করা ভেজা জেল সংশ্লেষ করতে পারে, অন্য পদ্ধতিতে অনেক দিন সময় লাগবে।

শুকনো, কম ঘনত্বের অ্যারোজেল পাওয়ার পর, তারা এটিকে আঠালো এবং অন্য একটি কার্বন-সমৃদ্ধ উপাদানের সাথে একত্রিত করে একটি শিল্প "ময়দা" তৈরি করে, যা লিম কেবলমাত্র এক ইঞ্চির কয়েক হাজার ভাগ পুরু চাদরে গড়িয়ে যেতে পারে। তারা ময়দা থেকে আধা-ইঞ্চি ডিস্ক কেটেছে এবং একটি সুপারক্যাপাসিটর ইলেক্ট্রোড হিসাবে উপাদানটির কার্যকারিতা পরীক্ষা করার জন্য সাধারণ মুদ্রা সেল ব্যাটারির খাপে একত্রিত করেছে।

তাদের ইলেক্ট্রোডগুলি কেবল দ্রুত, সহজ এবং সংশ্লেষিত করা সহজ ছিল না, তবে তারা কেবল কার্বন-সমৃদ্ধ এয়ারজেলের চেয়ে কমপক্ষে 127 শতাংশ বেশি ক্যাপাসিট্যান্স ছিল।

লিম এবং ক্রেন আশা করেন যে মলিবডেনাম ডিসালফাইড বা টাংস্টেন ডিসালফাইডের এমনকি পাতলা শীট দিয়ে লোড করা অ্যারোজেলগুলি - তাদের প্রায় 10 থেকে 100 পরমাণু পুরু ছিল - আরও ভাল কার্যকারিতা দেখাবে৷ কিন্তু প্রথমে, তারা দেখাতে চেয়েছিল যে লোড করা অ্যারোজেলগুলি সংশ্লেষণের জন্য দ্রুত এবং সস্তা হবে, শিল্প উত্পাদনের জন্য একটি প্রয়োজনীয় পদক্ষেপ। ফাইন-টিউনিং এর পরে আসে।

দলটি বিশ্বাস করে যে এই প্রচেষ্টাগুলি সুপারক্যাপাসিটর ইলেক্ট্রোডের বাইরেও বিজ্ঞানকে অগ্রসর করতে সাহায্য করতে পারে। তাদের অ্যারোজেল-সাসপেন্ডেড মলিবডেনাম ডিসালফাইড হাইড্রোজেন উৎপাদনকে অনুঘটক করার জন্য যথেষ্ট স্থিতিশীল থাকতে পারে। এবং এরোজেলগুলিতে দ্রুত পদার্থগুলি আটকানোর তাদের পদ্ধতি উচ্চ ক্যাপাসিট্যান্স ব্যাটারি বা ক্যাটালাইসিসে প্রয়োগ করা যেতে পারে।