nature.com मा जानुभएकोमा धन्यवाद। तपाईंले प्रयोग गरिरहनुभएको ब्राउजर संस्करणमा सीमित CSS समर्थन छ। उत्तम अनुभवको लागि, हामी नवीनतम ब्राउजर संस्करण प्रयोग गर्न सिफारिस गर्छौं (वा इन्टरनेट एक्सप्लोररमा अनुकूलता मोड बन्द गर्नुहोस्)। थप रूपमा, निरन्तर समर्थन सुनिश्चित गर्न, यो साइटमा शैलीहरू वा जाभास्क्रिप्ट समावेश हुनेछैन।
प्रचुर मात्रामा सोडियम स्रोतको कारण, सोडियम-आयन ब्याट्रीहरू (NIBs) इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भण्डारणको लागि एक आशाजनक वैकल्पिक समाधानको प्रतिनिधित्व गर्दछ। हाल, NIB प्रविधिको विकासमा मुख्य बाधा भनेको लामो समयसम्म सोडियम आयनहरूलाई उल्टो रूपमा भण्डारण/रिलीज गर्न सक्ने इलेक्ट्रोड सामग्रीहरूको अभाव हो। त्यसकारण, यस अध्ययनको उद्देश्य NIB इलेक्ट्रोड सामग्रीको रूपमा पोलिभिनिल अल्कोहल (PVA) र सोडियम अल्जिनेट (NaAlg) मिश्रणहरूमा ग्लिसरॉल थपको प्रभावको सैद्धान्तिक रूपमा अनुसन्धान गर्नु हो। यो अध्ययन PVA, सोडियम अल्जिनेट, र ग्लिसरॉल मिश्रणहरूमा आधारित पोलिमर इलेक्ट्रोलाइटहरूको इलेक्ट्रोनिक, थर्मल, र मात्रात्मक संरचना-गतिविधि सम्बन्ध (QSAR) वर्णनकर्ताहरूमा केन्द्रित छ। यी गुणहरू अर्ध-अनुभवजन्य विधिहरू र घनत्व कार्यात्मक सिद्धान्त (DFT) प्रयोग गरेर अनुसन्धान गरिन्छ। संरचनात्मक विश्लेषणले PVA/अल्जिनेट र ग्लिसरॉल बीचको अन्तरक्रियाको विवरण प्रकट गरेपछि, ब्यान्ड ग्याप ऊर्जा (Eg) को अनुसन्धान गरिएको थियो। परिणामहरूले ग्लिसरॉल थप्दा Eg मान 0.2814 eV मा घट्ने देखाउँछ। आणविक इलेक्ट्रोस्टेटिक सम्भाव्य सतह (MESP) ले सम्पूर्ण इलेक्ट्रोलाइट प्रणालीमा इलेक्ट्रोन-धनी र इलेक्ट्रोन-गरीब क्षेत्रहरू र आणविक चार्जहरूको वितरण देखाउँछ। अध्ययन गरिएका थर्मल प्यारामिटरहरूमा एन्थाल्पी (H), एन्ट्रोपी (ΔS), ताप क्षमता (Cp), गिब्स मुक्त ऊर्जा (G) र गठनको ताप समावेश छन्। यसको अतिरिक्त, यस अध्ययनमा कुल द्विध्रुवीय क्षण (TDM), कुल ऊर्जा (E), आयनीकरण सम्भाव्यता (IP), लग P र ध्रुवीकरण क्षमता जस्ता धेरै मात्रात्मक संरचना-गतिविधि सम्बन्ध (QSAR) वर्णनकर्ताहरूको अनुसन्धान गरिएको थियो। परिणामहरूले देखाए कि H, ΔS, Cp, G र TDM बढ्दो तापक्रम र ग्लिसरॉल सामग्रीसँगै बढ्यो। यसैबीच, गठनको ताप, IP र E घट्यो, जसले प्रतिक्रियाशीलता र ध्रुवीकरण क्षमतामा सुधार ल्यायो। थप रूपमा, ग्लिसरॉल थपेर, सेल भोल्टेज 2.488 V मा बढ्यो। लागत-प्रभावी PVA/Na Alg ग्लिसरॉल-आधारित इलेक्ट्रोलाइटहरूमा आधारित DFT र PM6 गणनाहरूले देखाउँछ कि तिनीहरूको बहु-कार्यक्षमताको कारणले गर्दा तिनीहरू आंशिक रूपमा लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू प्रतिस्थापन गर्न सक्छन्, तर थप सुधार र अनुसन्धान आवश्यक छ।
लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू (LIBs) व्यापक रूपमा प्रयोग गरिए तापनि, तिनीहरूको छोटो चक्र जीवन, उच्च लागत, र सुरक्षा चिन्ताहरूको कारणले गर्दा तिनीहरूको प्रयोगमा धेरै सीमितताहरू छन्। सोडियम-आयन ब्याट्रीहरू (SIBs) तिनीहरूको व्यापक उपलब्धता, कम लागत, र सोडियम तत्वको गैर-विषाक्तताको कारणले LIBs को एक व्यवहार्य विकल्प बन्न सक्छ। सोडियम-आयन ब्याट्रीहरू (SIBs) इलेक्ट्रोकेमिकल उपकरणहरूको लागि बढ्दो रूपमा महत्त्वपूर्ण ऊर्जा भण्डारण प्रणाली बन्दै गइरहेका छन्। सोडियम-आयन ब्याट्रीहरू आयन ढुवानीलाई सहज बनाउन र विद्युतीय प्रवाह उत्पन्न गर्न इलेक्ट्रोलाइटहरूमा धेरै निर्भर हुन्छन्2,3। तरल इलेक्ट्रोलाइटहरू मुख्यतया धातु लवण र जैविक विलायकहरू मिलेर बनेका हुन्छन्। व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूको लागि तरल इलेक्ट्रोलाइटहरूको सुरक्षाको सावधानीपूर्वक विचार गर्न आवश्यक छ, विशेष गरी जब ब्याट्री थर्मल वा विद्युतीय तनावको अधीनमा हुन्छ4।
सोडियम-आयन ब्याट्रीहरू (SIBs) ले निकट भविष्यमा लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूलाई प्रतिस्थापन गर्ने अपेक्षा गरिएको छ किनभने तिनीहरूको प्रचुर मात्रामा समुद्री भण्डार, गैर-विषाक्तता, र कम सामग्री लागत छ। न्यानोमटेरियलहरूको संश्लेषणले डेटा भण्डारण, इलेक्ट्रोनिक र अप्टिकल उपकरणहरूको विकासलाई तीव्र बनाएको छ। साहित्यको एक ठूलो समूहले सोडियम-आयन ब्याट्रीहरूमा विभिन्न न्यानोस्ट्रक्चरहरू (जस्तै, धातु अक्साइड, ग्राफीन, न्यानोट्यूबहरू, र फुलरेनहरू) को प्रयोग प्रदर्शन गरेको छ। अनुसन्धानले सोडियम-आयन ब्याट्रीहरूको बहुमुखी प्रतिभा र वातावरणीय मैत्रीको कारणले गर्दा पोलिमरहरू सहित एनोड सामग्रीहरूको विकासमा ध्यान केन्द्रित गरेको छ। रिचार्जेबल पोलिमर ब्याट्रीहरूको क्षेत्रमा अनुसन्धान रुचि निस्सन्देह बढ्नेछ। अद्वितीय संरचना र गुणहरू भएका उपन्यास पोलिमर इलेक्ट्रोड सामग्रीहरूले वातावरणमैत्री ऊर्जा भण्डारण प्रविधिहरूको लागि मार्ग प्रशस्त गर्ने सम्भावना छ। सोडियम-आयन ब्याट्रीहरूमा प्रयोगको लागि विभिन्न पोलिमर इलेक्ट्रोड सामग्रीहरू अन्वेषण गरिएको भए तापनि, यो क्षेत्र अझै विकासको प्रारम्भिक चरणमा छ। सोडियम-आयन ब्याट्रीहरूको लागि, विभिन्न संरचनात्मक कन्फिगरेसनहरू भएका थप पोलिमर सामग्रीहरू अन्वेषण गर्न आवश्यक छ। पोलिमर इलेक्ट्रोड सामग्रीहरूमा सोडियम आयनहरूको भण्डारण संयन्त्रको हाम्रो हालको ज्ञानको आधारमा, यो परिकल्पना गर्न सकिन्छ कि संयुग्मित प्रणालीमा कार्बोनिल समूहहरू, मुक्त रेडिकलहरू, र हेटेरोएटमहरू सोडियम आयनहरूसँग अन्तरक्रियाको लागि सक्रिय साइटहरूको रूपमा काम गर्न सक्छन्। त्यसकारण, यी सक्रिय साइटहरूको उच्च घनत्व भएका नयाँ पोलिमरहरू विकास गर्नु महत्त्वपूर्ण छ। जेल पोलिमर इलेक्ट्रोलाइट (GPE) एक वैकल्पिक प्रविधि हो जसले ब्याट्री विश्वसनीयता, आयन चालकता, कुनै चुहावट, उच्च लचिलोपन, र राम्रो प्रदर्शनमा सुधार गर्दछ।
पोलिमर म्याट्रिक्समा PVA र पोलिथिलीन अक्साइड (PEO) जस्ता सामग्रीहरू समावेश छन्। जेल पारगम्य पोलिमर (GPE) ले पोलिमर म्याट्रिक्समा तरल इलेक्ट्रोलाइटलाई स्थिर बनाउँछ, जसले व्यावसायिक विभाजकहरूको तुलनामा चुहावटको जोखिम कम गर्छ। PVA एक कृत्रिम बायोडिग्रेडेबल पोलिमर हो। यसमा उच्च अनुमति छ, सस्तो र गैर-विषाक्त छ। सामग्री यसको फिल्म-निर्माण गुणहरू, रासायनिक स्थिरता र आसंजनको लागि परिचित छ। यसमा कार्यात्मक (OH) समूहहरू र उच्च क्रस-लिङ्किङ सम्भाव्य घनत्व पनि छ15,16,17। पोलिमर मिश्रण, प्लास्टिसाइजर थप, कम्पोजिट थप र इन सिटू पोलिमराइजेशन प्रविधिहरू PVA-आधारित पोलिमर इलेक्ट्रोलाइटहरूको चालकता सुधार गर्न म्याट्रिक्स क्रिस्टलिनिटी कम गर्न र चेन लचिलोपन बढाउन प्रयोग गरिएको छ18,19,20।
औद्योगिक अनुप्रयोगहरूको लागि पोलिमरिक सामग्रीहरू विकास गर्ने एउटा महत्त्वपूर्ण विधि भनेको मिश्रण हो। पोलिमर मिश्रणहरू प्रायः निम्नका लागि प्रयोग गरिन्छ: (१) औद्योगिक अनुप्रयोगहरूमा प्राकृतिक पोलिमरहरूको प्रशोधन गुणहरू सुधार गर्न; (२) बायोडिग्रेडेबल सामग्रीहरूको रासायनिक, भौतिक र यान्त्रिक गुणहरू सुधार गर्न; र (३) खाद्य प्याकेजिङ उद्योगमा नयाँ सामग्रीहरूको द्रुत रूपमा परिवर्तन भइरहेको मागलाई अनुकूलन गर्न। कोपोलिमराइजेसनको विपरीत, पोलिमर मिश्रण एक कम लागतको प्रक्रिया हो जसले इच्छित गुणहरू प्राप्त गर्न जटिल रासायनिक प्रक्रियाहरूको सट्टा सरल भौतिक प्रक्रियाहरू प्रयोग गर्दछ। होमोपोलिमरहरू बनाउन, विभिन्न पोलिमरहरूले द्विध्रुव-द्विध्रुवीय बलहरू, हाइड्रोजन बन्डहरू, वा चार्ज-ट्रान्सफर कम्प्लेक्सहरू मार्फत अन्तरक्रिया गर्न सक्छन्22,23। प्राकृतिक र सिंथेटिक पोलिमरहरूबाट बनेका मिश्रणहरूले उत्कृष्ट मेकानिकल गुणहरूसँग राम्रो जैविक अनुकूलता संयोजन गर्न सक्छन्, कम उत्पादन लागतमा उत्कृष्ट सामग्री सिर्जना गर्न सक्छन्24,25। त्यसकारण, सिंथेटिक र प्राकृतिक पोलिमरहरू मिश्रण गरेर जैविक सान्दर्भिक पोलिमरिक सामग्रीहरू सिर्जना गर्नमा ठूलो चासो रहेको छ। PVA लाई सोडियम अल्जिनेट (NaAlg), सेलुलोज, चिटोसन र स्टार्चसँग जोड्न सकिन्छ26।
सोडियम अल्जिनेट एक प्राकृतिक पोलिमर र समुद्री खैरो शैवालबाट निकालिएको एनियोनिक पोलिस्याकराइड हो। सोडियम अल्जिनेटमा β-(1-4)-लिङ्क गरिएको D-म्यानुरोनिक एसिड (M) र α-(1-4)-लिङ्क गरिएको L-गुलुरोनिक एसिड (G) हुन्छ जुन होमोपोलिमेरिक रूपहरू (पोलि-M र पोलि-G) र हेटेरोपोलिमेरिक ब्लकहरू (MG वा GM)27 मा व्यवस्थित हुन्छ। M र G ब्लकहरूको सामग्री र सापेक्ष अनुपातले अल्जिनेटको रासायनिक र भौतिक गुणहरूमा महत्त्वपूर्ण प्रभाव पार्छ28,29। सोडियम अल्जिनेट यसको बायोडिग्रेडेबिलिटी, बायोकम्प्याटिबिलिटी, कम लागत, राम्रो फिल्म-बनाउने गुणहरू, र गैर-विषाक्तताको कारणले व्यापक रूपमा प्रयोग र अध्ययन गरिन्छ। यद्यपि, अल्जिनेट चेनमा ठूलो संख्यामा फ्री हाइड्रोक्सिल (OH) र कार्बोक्सिलेट (COO) समूहहरूले अल्जिनेटलाई अत्यधिक हाइड्रोफिलिक बनाउँछ। यद्यपि, यसको भंगुरता र कठोरताको कारण अल्जिनेटमा कमजोर मेकानिकल गुणहरू छन्। त्यसकारण, पानीको संवेदनशीलता र मेकानिकल गुणहरू सुधार गर्न अल्जिनेटलाई अन्य सिंथेटिक सामग्रीहरूसँग मिलाउन सकिन्छ30,31।
नयाँ इलेक्ट्रोड सामग्रीहरू डिजाइन गर्नु अघि, नयाँ सामग्रीहरूको निर्माण सम्भाव्यताको मूल्याङ्कन गर्न DFT गणनाहरू प्रायः प्रयोग गरिन्छ। थप रूपमा, वैज्ञानिकहरूले प्रयोगात्मक परिणामहरू पुष्टि गर्न र भविष्यवाणी गर्न, समय बचत गर्न, रासायनिक फोहोर घटाउन र अन्तरक्रिया व्यवहारको भविष्यवाणी गर्न आणविक मोडेलिङ प्रयोग गर्छन्। आणविक मोडेलिङ धेरै क्षेत्रहरूमा विज्ञानको एक शक्तिशाली र महत्त्वपूर्ण शाखा बनेको छ, जसमा सामग्री विज्ञान, न्यानोमटेरियलहरू, कम्प्युटेसनल रसायन विज्ञान, र औषधि खोज समावेश छ33,34। मोडेलिङ कार्यक्रमहरू प्रयोग गरेर, वैज्ञानिकहरूले ऊर्जा (गठनको ताप, आयनीकरण क्षमता, सक्रियता ऊर्जा, आदि) र ज्यामिति (बन्धन कोण, बन्धन लम्बाइ, र टोर्सन कोणहरू) सहित प्रत्यक्ष रूपमा आणविक डेटा प्राप्त गर्न सक्छन्35। थप रूपमा, इलेक्ट्रोनिक गुणहरू (चार्ज, HOMO र LUMO ब्यान्ड ग्याप ऊर्जा, इलेक्ट्रोन आत्मीयता), वर्णक्रमीय गुणहरू (विशेषता कम्पन मोडहरू र FTIR स्पेक्ट्रा जस्ता तीव्रताहरू), र थोक गुणहरू (भोल्युम, प्रसार, चिपचिपापन, मोड्युलस, आदि)36 गणना गर्न सकिन्छ।
LiNiPO4 ले यसको उच्च ऊर्जा घनत्व (लगभग 5.1 V को काम गर्ने भोल्टेज) को कारणले लिथियम-आयन ब्याट्री सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीहरूसँग प्रतिस्पर्धा गर्न सम्भावित फाइदाहरू देखाउँछ। उच्च-भोल्टेज क्षेत्रमा LiNiPO4 को फाइदाको पूर्ण रूपमा उपयोग गर्न, काम गर्ने भोल्टेज कम गर्न आवश्यक छ किनभने हाल विकसित उच्च-भोल्टेज इलेक्ट्रोलाइट 4.8 V भन्दा कम भोल्टेजहरूमा मात्र अपेक्षाकृत स्थिर रहन सक्छ। झाङ एट अलले LiNiPO4 को Ni साइटमा सबै 3d, 4d, र 5d ट्रान्जिसन धातुहरूको डोपिङको अनुसन्धान गरे, उत्कृष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शनको साथ डोपिङ ढाँचाहरू चयन गरे, र यसको इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शनको सापेक्ष स्थिरता कायम राख्दै LiNiPO4 को काम गर्ने भोल्टेज समायोजन गरे। तिनीहरूले प्राप्त गरेको सबैभन्दा कम काम गर्ने भोल्टेजहरू Ti, Nb, र Ta-doped LiNiPO4 को लागि क्रमशः 4.21, 3.76, र 3.5037 थिए।
त्यसकारण, यस अध्ययनको उद्देश्य रिचार्जेबल आयन-आयन ब्याट्रीहरूमा यसको प्रयोगको लागि क्वान्टम मेकानिकल गणनाहरू प्रयोग गरेर इलेक्ट्रोनिक गुणहरू, QSAR वर्णनकर्ताहरू र PVA/NaAlg प्रणालीको थर्मल गुणहरूमा प्लास्टिसाइजरको रूपमा ग्लिसरोलको प्रभावको सैद्धान्तिक रूपमा अनुसन्धान गर्नु हो। PVA/NaAlg मोडेल र ग्लिसरोल बीचको आणविक अन्तरक्रियाहरू अणुहरूको क्वान्टम परमाणु सिद्धान्त (QTAIM) प्रयोग गरेर विश्लेषण गरिएको थियो।
PVA को NaAlg सँग र त्यसपछि ग्लिसरोलसँगको अन्तरक्रिया प्रतिनिधित्व गर्ने अणु मोडेललाई DFT प्रयोग गरेर अनुकूलित गरिएको थियो। यो मोडेललाई राष्ट्रिय अनुसन्धान केन्द्र, कायरो, इजिप्टको स्पेक्ट्रोस्कोपी विभागमा गाउसियन ०९३८ सफ्टवेयर प्रयोग गरेर गणना गरिएको थियो। मोडेलहरूलाई B3LYP/6-311G(d, p) स्तर ३९,४०,४१,४२ मा DFT प्रयोग गरेर अनुकूलित गरिएको थियो। अध्ययन गरिएका मोडेलहरू बीचको अन्तरक्रिया प्रमाणित गर्न, सिद्धान्तको समान स्तरमा गरिएको आवृत्ति अध्ययनहरूले अनुकूलित ज्यामितिको स्थिरता प्रदर्शन गर्दछ। सबै मूल्याङ्कन गरिएका आवृत्तिहरूमा नकारात्मक आवृत्तिहरूको अनुपस्थितिले सम्भावित ऊर्जा सतहमा वास्तविक सकारात्मक न्यूनतममा अनुमानित संरचनालाई हाइलाइट गर्दछ। TDM, HOMO/LUMO ब्यान्ड ग्याप ऊर्जा र MESP जस्ता भौतिक प्यारामिटरहरू सिद्धान्तको समान क्वान्टम मेकानिकल स्तरमा गणना गरिएको थियो। यसको अतिरिक्त, तालिका १ मा दिइएका सूत्रहरू प्रयोग गरेर गठनको अन्तिम ताप, मुक्त ऊर्जा, एन्ट्रोपी, एन्थाल्पी र ताप क्षमता जस्ता केही थर्मल प्यारामिटरहरू गणना गरिएको थियो। अध्ययन गरिएका संरचनाहरूको सतहमा हुने अन्तरक्रियाहरू पहिचान गर्न अध्ययन गरिएका मोडेलहरूलाई अणुहरूमा परमाणुहरूको क्वान्टम सिद्धान्त (QTAIM) विश्लेषणको अधीनमा राखिएको थियो। यी गणनाहरू गौसियन ०९ सफ्टवेयर कोडमा "आउटपुट=wfn" आदेश प्रयोग गरेर गरिएको थियो र त्यसपछि एभोगाड्रो सफ्टवेयर कोड४३ प्रयोग गरेर दृश्यीकरण गरिएको थियो।
जहाँ E आन्तरिक ऊर्जा हो, P चाप हो, V आयतन हो, Q प्रणाली र यसको वातावरण बीचको ताप आदानप्रदान हो, T तापक्रम हो, ΔH एन्थाल्पी परिवर्तन हो, ΔG मुक्त ऊर्जा परिवर्तन हो, ΔS एन्ट्रोपी परिवर्तन हो, a र b कम्पन प्यारामिटरहरू हुन्, q आणविक चार्ज हो, र C आणविक इलेक्ट्रोन घनत्व हो44,45। अन्तमा, उही संरचनाहरूलाई अनुकूलित गरियो र इजिप्टको कायरोमा रहेको राष्ट्रिय अनुसन्धान केन्द्रको स्पेक्ट्रोस्कोपी विभागमा SCIGRESS सफ्टवेयर कोड46 प्रयोग गरेर PM6 स्तरमा QSAR प्यारामिटरहरू गणना गरियो।
हाम्रो अघिल्लो कार्य ४७ मा, हामीले तीन PVA एकाइहरूको दुई NaAlg एकाइहरूसँगको अन्तरक्रिया वर्णन गर्ने सबैभन्दा सम्भावित मोडेलको मूल्याङ्कन गर्यौं, जसमा ग्लिसरोलले प्लास्टिसाइजरको रूपमा काम गर्छ। माथि उल्लेख गरिएझैं, PVA र NaAlg को अन्तरक्रियाको लागि दुई सम्भावनाहरू छन्। 3PVA-2Na Alg (कार्बन नम्बर १० मा आधारित) र टर्म १Na Alg-३PVA-मध्य १Na Alg नामित दुई मोडेलहरूमा विचार गरिएका अन्य संरचनाहरूको तुलनामा सबैभन्दा सानो ऊर्जा अन्तर मान ४८ छ। त्यसकारण, PVA/Na Alg मिश्रण पोलिमरको सबैभन्दा सम्भावित मोडेलमा Gly थपको प्रभाव पछिल्ला दुई संरचनाहरू प्रयोग गरेर अनुसन्धान गरिएको थियो: 3PVA-(C10)2Na Alg (सरलताको लागि 3PVA-2Na Alg भनिन्छ) र टर्म १ Na Alg − 3PVA-मध्य १ Na Alg। साहित्यका अनुसार, PVA, NaAlg र ग्लिसरोलले हाइड्रोक्सिल कार्यात्मक समूहहरू बीच कमजोर हाइड्रोजन बन्धन मात्र बनाउन सक्छ। PVA ट्रिमर र NaAlg र ग्लिसरोल डाइमर दुवैमा धेरै OH समूहहरू भएको हुनाले, OH समूहहरू मध्ये एक मार्फत सम्पर्क प्राप्त गर्न सकिन्छ। चित्र १ ले मोडेल ग्लिसरोल अणु र मोडेल अणु 3PVA-2Na Alg बीचको अन्तरक्रिया देखाउँछ, र चित्र २ ले मोडेल अणु टर्म 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg र ग्लिसरोलको विभिन्न सांद्रता बीचको अन्तरक्रियाको निर्मित मोडेल देखाउँछ।
अनुकूलित संरचनाहरू: (a) Gly र 3PVA − 2Na Alg ले (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, र (f) 5 Gly सँग अन्तरक्रिया गर्दछ।
(a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, र (f) 6 Gly सँग अन्तरक्रिया गर्ने अवधि 1Na Alg- 3PVA – मध्य 1Na Alg को अनुकूलित संरचनाहरू।
कुनै पनि इलेक्ट्रोड सामग्रीको प्रतिक्रियाशीलता अध्ययन गर्दा इलेक्ट्रोन ब्यान्ड ग्याप ऊर्जा विचार गर्नुपर्ने एउटा महत्त्वपूर्ण प्यारामिटर हो। किनभने यसले बाह्य परिवर्तनहरूको अधीनमा हुँदा इलेक्ट्रोनहरूको व्यवहार वर्णन गर्दछ। त्यसैले, अध्ययन गरिएका सबै संरचनाहरूको लागि HOMO/LUMO को इलेक्ट्रोन ब्यान्ड ग्याप ऊर्जा अनुमान गर्न आवश्यक छ। तालिका २ ले ग्लिसरॉल थपिएको कारणले 3PVA-(C10)2Na Alg र टर्म 1Na Alg − 3PVA- मध्य 1Na Alg को HOMO/LUMO ऊर्जामा परिवर्तनहरू देखाउँछ। ref47 अनुसार, 3PVA-(C10)2Na Alg को Eg मान 0.2908 eV छ, जबकि दोस्रो अन्तरक्रियाको सम्भावना (अर्थात्, टर्म 1Na Alg − 3PVA- मध्य 1Na Alg) प्रतिबिम्बित गर्ने संरचनाको Eg मान 0.5706 eV छ।
यद्यपि, ग्लिसरॉल थप्दा 3PVA-(C10)2Na Alg को Eg मानमा थोरै परिवर्तन आएको पाइयो। जब 3PVA-(C10)2NaAlg ले 1, 2, 3, 4 र 5 ग्लिसरॉल एकाइहरूसँग अन्तर्क्रिया गर्‍यो, यसको Eg मानहरू क्रमशः 0.302, 0.299, 0.308, 0.289 र 0.281 eV भए। यद्यपि, त्यहाँ एक मूल्यवान अन्तर्दृष्टि छ कि 3 ग्लिसरॉल एकाइहरू थपेपछि, Eg मान 3PVA-(C10)2Na Alg को भन्दा सानो भयो। पाँच ग्लिसरॉल एकाइहरूसँग 3PVA-(C10)2Na Alg को अन्तर्क्रिया प्रतिनिधित्व गर्ने मोडेल सबैभन्दा सम्भावित अन्तर्क्रिया मोडेल हो। यसको अर्थ ग्लिसरॉल एकाइहरूको संख्या बढ्दै जाँदा, अन्तर्क्रियाको सम्भावना पनि बढ्छ।
यसैबीच, अन्तरक्रियाको दोस्रो सम्भाव्यताको लागि, टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 1Gly, टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 2Gly, टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 3Gly, टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 4Gly, टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 5Gly र टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly प्रतिनिधित्व गर्ने मोडेल अणुहरूको HOMO/LUMO ऊर्जाहरू क्रमशः 1.343, 1.34 7, 0.976, 0.607, 0.348 र 0.496 eV हुन्छन्। तालिका २ ले सबै संरचनाहरूको लागि गणना गरिएको HOMO/LUMO ब्यान्ड ग्याप ऊर्जाहरू देखाउँछ। यसबाहेक, पहिलो समूहको अन्तरक्रिया सम्भाव्यताको उही व्यवहार यहाँ दोहोरिएको छ।
ठोस अवस्था भौतिकशास्त्रमा ब्यान्ड सिद्धान्तले बताउँछ कि इलेक्ट्रोड सामग्रीको ब्यान्ड ग्याप घट्दै जाँदा, सामग्रीको इलेक्ट्रोनिक चालकता बढ्छ। डोपिङ सोडियम-आयन क्याथोड सामग्रीको ब्यान्ड ग्याप घटाउने एक सामान्य विधि हो। जियाङ एट अलले β-NaMnO2 स्तरित सामग्रीहरूको इलेक्ट्रोनिक चालकता सुधार गर्न Cu डोपिङ प्रयोग गरे। DFT गणनाहरू प्रयोग गरेर, तिनीहरूले पत्ता लगाए कि डोपिङले सामग्रीको ब्यान्ड ग्याप ०.७ eV बाट ०.३ eV मा घटाएको छ। यसले संकेत गर्छ कि Cu डोपिङले β-NaMnO2 सामग्रीको इलेक्ट्रोनिक चालकता सुधार गर्दछ।
MESP लाई आणविक चार्ज वितरण र एकल सकारात्मक चार्ज बीचको अन्तरक्रिया ऊर्जाको रूपमा परिभाषित गरिएको छ। MESP लाई रासायनिक गुणहरू र प्रतिक्रियाशीलता बुझ्न र व्याख्या गर्नको लागि एक प्रभावकारी उपकरण मानिन्छ। MESP लाई पोलिमरिक सामग्रीहरू बीचको अन्तरक्रियाको संयन्त्र बुझ्न प्रयोग गर्न सकिन्छ। MESP ले अध्ययन अन्तर्गत यौगिक भित्र चार्ज वितरणको वर्णन गर्दछ। थप रूपमा, MESP ले अध्ययन अन्तर्गत सामग्रीहरूमा सक्रिय साइटहरूको बारेमा जानकारी प्रदान गर्दछ।32। चित्र ३ ले सिद्धान्तको B3LYP/6-311G(d, p) स्तरमा अनुमान गरिएको 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly, र 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly को MESP प्लटहरू देखाउँछ।
(a) Gly र 3PVA − 2Na Alg को लागि B3LYP/6-311 g(d, p) सँग गणना गरिएको MESP रूपरेखाहरू (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, र (f) 5 Gly सँग अन्तरक्रिया गर्दै।
यसैबीच, चित्र ४ ले क्रमशः टर्म १Na Alg- ३PVA – मध्य १Na Alg, टर्म १Na Alg-३PVA – मध्य १Na Alg-१Gly, टर्म १Na Alg-३PVA – मध्य १Na Alg − २Gly, टर्म १Na Alg-३PVA – मध्य १Na Alg − ३gly, टर्म १Na Alg-३PVA – मध्य १Na Alg − ४Gly, टर्म १Na Alg-३PVA – मध्य १Na Alg-५gly र टर्म १Na Alg-३PVA – मध्य १Na Alg − ६Gly को लागि MESP को गणना गरिएको परिणामहरू देखाउँछ। गणना गरिएको MESP लाई समोच्च व्यवहारको रूपमा प्रतिनिधित्व गरिएको छ। समोच्च रेखाहरू फरक रङहरूद्वारा प्रतिनिधित्व गरिन्छ। प्रत्येक रङले फरक इलेक्ट्रोनगेटिभिटी मान प्रतिनिधित्व गर्दछ। रातो रङले अत्यधिक इलेक्ट्रोनगेटिभ वा प्रतिक्रियाशील साइटहरूलाई संकेत गर्दछ। यसैबीच, पहेंलो रंगले संरचनामा तटस्थ साइटहरू ४९, ५०, ५१ लाई प्रतिनिधित्व गर्दछ। MESP नतिजाहरूले अध्ययन गरिएका मोडेलहरू वरिपरि रातो रंगको वृद्धिसँगै 3PVA-(C10)2Na Alg को प्रतिक्रियाशीलता बढेको देखाएको छ। यसैबीच, 1Na Alg-3PVA - मध्य 1Na Alg मोडेल अणुको MESP नक्सामा रातो रंगको तीव्रता विभिन्न ग्लिसरॉल सामग्रीसँगको अन्तरक्रियाको कारणले घट्छ। प्रस्तावित संरचना वरिपरि रातो रंग वितरणमा परिवर्तनले प्रतिक्रियाशीलतालाई प्रतिबिम्बित गर्दछ, जबकि तीव्रतामा वृद्धिले ग्लिसरॉल सामग्रीको वृद्धिको कारण 3PVA-(C10)2Na Alg मोडेल अणुको इलेक्ट्रोनगेटिभिटीमा वृद्धि पुष्टि गर्दछ।
B3LYP/6-311 g(d, p) ले (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, र (f) 6 Gly सँग अन्तरक्रिया गर्दै 1Na Alg-3PVA-मध्य 1Na Alg को MESP अवधि गणना गर्‍यो।
सबै प्रस्तावित संरचनाहरूमा २०० किलोवाट देखि ५०० किलोवाट सम्मको विभिन्न तापक्रममा गणना गरिएको एन्थाल्पी, एन्ट्रोपी, ताप क्षमता, मुक्त ऊर्जा र गठनको ताप जस्ता थर्मल प्यारामिटरहरू छन्। भौतिक प्रणालीहरूको व्यवहार वर्णन गर्न, तिनीहरूको इलेक्ट्रोनिक व्यवहार अध्ययन गर्नुको अतिरिक्त, तिनीहरूको एकअर्कासँगको अन्तरक्रियाको कारणले तापक्रमको कार्यको रूपमा तिनीहरूको थर्मल व्यवहार अध्ययन गर्नु पनि आवश्यक छ, जुन तालिका १ मा दिइएको समीकरणहरू प्रयोग गरेर गणना गर्न सकिन्छ। यी थर्मल प्यारामिटरहरूको अध्ययनलाई विभिन्न तापक्रममा यस्ता भौतिक प्रणालीहरूको प्रतिक्रियाशीलता र स्थिरताको महत्त्वपूर्ण सूचक मानिन्छ।
PVA ट्रिमरको एन्थाल्पीको सन्दर्भमा, यसले पहिले NaAlg डाइमरसँग प्रतिक्रिया गर्दछ, त्यसपछि कार्बन परमाणु #१० मा संलग्न OH समूह मार्फत, र अन्तमा ग्लिसरोलसँग। एन्थाल्पी थर्मोडायनामिक प्रणालीमा ऊर्जाको मापन हो। एन्थाल्पी प्रणालीमा कुल ताप बराबर हुन्छ, जुन प्रणालीको आन्तरिक ऊर्जा र यसको आयतन र दबाबको गुणनफल बराबर हुन्छ। अर्को शब्दमा, एन्थाल्पीले पदार्थमा कति ताप र काम थपिएको छ वा हटाइएको छ भनेर देखाउँछ।
चित्र ५ ले विभिन्न ग्लिसरॉल सांद्रता भएका 3PVA-(C10)2Na Alg को प्रतिक्रियाको क्रममा एन्थाल्पी परिवर्तनहरू देखाउँछ। संक्षिप्त रूपहरू A0, A1, A2, A3, A4, र A5 ले मोडेल अणुहरू 3PVA-(C10)2Na Alg, 3PVA-(C10)2Na Alg − 1 Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly, र 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly लाई क्रमशः प्रतिनिधित्व गर्दछ। चित्र ५a ले ​​देखाउँछ कि एन्थाल्पी बढ्दो तापक्रम र ग्लिसरॉल सामग्रीसँगै बढ्छ। २०० किलोवाटमा ३PVA-(C10)२NaAlg−५Gly (अर्थात्, A5) प्रतिनिधित्व गर्ने संरचनाको एन्थाल्पी २७.९६६ क्यालोरी/मोल हुन्छ, जबकि २०० किलोवाटमा ३PVA-२NaAlg प्रतिनिधित्व गर्ने संरचनाको एन्थाल्पी १३.४९० क्यालोरी/मोल हुन्छ। अन्तमा, एन्थाल्पी सकारात्मक भएकोले, यो प्रतिक्रिया एन्डोथर्मिक हुन्छ।
एन्ट्रोपीलाई बन्द थर्मोडायनामिक प्रणालीमा अनुपलब्ध ऊर्जाको मापनको रूपमा परिभाषित गरिएको छ र प्रायः प्रणालीको विकारको मापनको रूपमा मानिन्छ। चित्र ५b ले तापक्रमसँग ३PVA-(C10)2NaAlg को एन्ट्रोपीमा परिवर्तन र यसले विभिन्न ग्लिसरोल एकाइहरूसँग कसरी अन्तरक्रिया गर्छ भनेर देखाउँछ। ग्राफले २०० K बाट ५०० K सम्म तापक्रम बढ्दै जाँदा एन्ट्रोपी रेखीय रूपमा परिवर्तन हुन्छ भनेर देखाउँछ। चित्र ५b ले स्पष्ट रूपमा देखाउँछ कि ३PVA-(C10)2Na Alg मोडेलको एन्ट्रोपी २०० K मा २०० cal/K/mol हुन्छ किनभने ३PVA-(C10)2Na Alg मोडेलले कम जाली विकार प्रदर्शन गर्दछ। तापक्रम बढ्दै जाँदा, ३PVA-(C10)2Na Alg मोडेल अव्यवस्थित हुन्छ र बढ्दो तापक्रमसँग एन्ट्रोपीमा भएको वृद्धिलाई व्याख्या गर्दछ। यसबाहेक, यो स्पष्ट छ कि 3PVA-C10 2Na Alg- 5 Gly को संरचनामा उच्चतम एन्ट्रोपी मान छ।
चित्र ५c मा पनि यही व्यवहार अवलोकन गरिएको छ, जसले तापक्रमसँग ताप क्षमतामा परिवर्तन देखाउँछ। ताप क्षमता भनेको दिइएको मात्राको पदार्थको तापक्रम १ °C४७ ले परिवर्तन गर्न आवश्यक तापको मात्रा हो। चित्र ५c ले १, २, ३, ४, र ५ ग्लिसरॉल एकाइहरूसँगको अन्तरक्रियाको कारणले मोडेल अणु ३PVA-(C10)२NaAlg को ताप क्षमतामा परिवर्तन देखाउँछ। चित्रले देखाउँछ कि मोडेल ३PVA-(C10)२NaAlg को ताप क्षमता तापक्रमसँगै रेखीय रूपमा बढ्छ। बढ्दो तापक्रमसँग ताप क्षमतामा देखिएको वृद्धि फोनोन थर्मल कम्पनलाई श्रेय दिइएको छ। थप रूपमा, ग्लिसरॉल सामग्री बढाउँदा मोडेल ३PVA-(C10)२NaAlg को ताप क्षमतामा वृद्धि हुने प्रमाण छ। यसबाहेक, संरचनाले देखाउँछ कि ३PVA-(C10)२NaAlg−५Gly मा अन्य संरचनाहरूको तुलनामा उच्चतम ताप क्षमता मान छ।
अध्ययन गरिएका संरचनाहरूको लागि मुक्त ऊर्जा र गठनको अन्तिम ताप जस्ता अन्य प्यारामिटरहरू गणना गरिएको थियो र क्रमशः चित्र ५d र e मा देखाइएको छ। गठनको अन्तिम ताप भनेको स्थिर दबाबमा यसको घटक तत्वहरूबाट शुद्ध पदार्थको गठनको क्रममा निस्कने वा अवशोषित हुने ताप हो। मुक्त ऊर्जालाई ऊर्जा जस्तै गुणको रूपमा परिभाषित गर्न सकिन्छ, अर्थात्, यसको मूल्य प्रत्येक थर्मोडायनामिक अवस्थामा पदार्थको मात्रामा निर्भर गर्दछ। 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly को गठनको मुक्त ऊर्जा र ताप सबैभन्दा कम थियो र क्रमशः -1318.338 र -1628.154 kcal/mol थियो। यसको विपरित, 3PVA-(C10)2NaAlg को प्रतिनिधित्व गर्ने संरचनामा अन्य संरचनाहरूको तुलनामा क्रमशः -690.340 र -830.673 kcal/mol को उच्चतम मुक्त ऊर्जा र गठनको ताप मानहरू छन्। चित्र ५ मा देखाइए अनुसार, ग्लिसरॉलसँगको अन्तरक्रियाको कारणले विभिन्न थर्मल गुणहरू परिवर्तन हुन्छन्। गिब्स मुक्त ऊर्जा ऋणात्मक छ, जसले प्रस्तावित संरचना स्थिर छ भन्ने संकेत गर्छ।
PM6 ले शुद्ध 3PVA- (C10) 2Na Alg (मोडेल A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (मोडेल A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (मोडेल A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (मोडेल A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (मोडेल A4), र 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (मोडेल A5) को थर्मल प्यारामिटरहरू गणना गर्‍यो, जहाँ (a) एन्थाल्पी हो, (b) एन्ट्रोपी, (c) ताप क्षमता, (d) मुक्त ऊर्जा, र (e) गठनको ताप।
अर्कोतर्फ, PVA ट्रिमर र डाइमेरिक NaAlg बीचको दोस्रो अन्तरक्रिया मोड PVA ट्रिमर संरचनामा टर्मिनल र मध्य OH समूहहरूमा हुन्छ। पहिलो समूहमा जस्तै, थर्मल प्यारामिटरहरू सिद्धान्तको समान स्तर प्रयोग गरेर गणना गरिएको थियो। चित्र 6a-e ले एन्थाल्पी, एन्ट्रोपी, ताप क्षमता, मुक्त ऊर्जा र अन्ततः, गठनको तापको भिन्नताहरू देखाउँछ। चित्र 6a-c ले देखाउँछ कि टर्म 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg को एन्थाल्पी, एन्ट्रोपी र ताप क्षमताले 1, 2, 3, 4, 5 र 6 ग्लिसरॉल एकाइहरूसँग अन्तरक्रिया गर्दा पहिलो समूहको जस्तै व्यवहार प्रदर्शन गर्दछ। यसबाहेक, तिनीहरूको मानहरू बढ्दो तापक्रमसँगै बिस्तारै बढ्छन्। थप रूपमा, प्रस्तावित टर्म 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg मोडेलमा, ग्लिसरॉल सामग्रीको वृद्धिसँगै एन्थाल्पी, एन्ट्रोपी र ताप क्षमता मानहरू बढ्छन्। B0, B1, B2, B3, B4, B5 र B6 ले क्रमशः निम्न संरचनाहरूलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ: टर्म 1 Na Alg − 3PVA- मध्य 1 Na Alg, टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 1 Gly, टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 2gly, टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 3gly, टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 4 Gly, टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 5 Gly र टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 6 Gly। चित्र 6a–c मा देखाइए अनुसार, ग्लिसरॉल एकाइहरूको संख्या 1 बाट 6 सम्म बढ्दै जाँदा एन्थाल्पी, एन्ट्रोपी र ताप क्षमताको मानहरू बढ्दै जाने कुरा स्पष्ट छ।
PM6 ले शुद्ध टर्म १ Na Alg- ३PVA- मध्य १ Na Alg (मोडेल B०), टर्म १ Na Alg- ३PVA- मध्य १ Na Alg – १ Gly (मोडेल B१), टर्म १ Na Alg- ३PVA- मध्य १ Na Alg – २ Gly (मोडेल B२), टर्म १ Na Alg- ३PVA- मध्य १ Na Alg – ३ Gly (मोडेल B३), टर्म १ Na Alg- ३PVA- मध्य १ Na Alg – ४ Gly (मोडेल B४), टर्म १ Na Alg- ३PVA- मध्य १ Na Alg – ५ Gly (मोडेल B५), र टर्म १ Na Alg- ३PVA- मध्य १ Na Alg – ६ Gly (मोडेल B६) को थर्मल प्यारामिटरहरू गणना गर्‍यो, जसमा (क) एन्थाल्पी, (ख) एन्ट्रोपी, (ग) ताप क्षमता, (घ) मुक्त ऊर्जा, र (ङ) गठनको ताप समावेश छ।
यसको अतिरिक्त, टर्म १ ना अल्ग- ३पीभीए- मिड १ ना अल्ग- ६ ग्लाइलाई प्रतिनिधित्व गर्ने संरचनामा अन्य संरचनाहरूको तुलनामा एन्थाल्पी, एन्ट्रोपी र ताप क्षमताको उच्चतम मानहरू छन्। ती मध्ये, टर्म १ ना अल्ग - ३पीभीए- मिड १ ना अल्गमा १६.७०३ क्यालोरी/मोल, २५७.९९० क्यालोरी/मोल/के र १३१.३२३ केकिलोरी/मोलबाट क्रमशः टर्म १ ना अल्ग - ३पीभीए- मिड १ ना अल्ग - ६ ग्लाइमा ३३.२२३ क्यालोरी/मोल, ४२०.०३८ क्यालोरी/मोल/के र २७५.९२३ केकिलोरी/मोलमा वृद्धि भएको छ।
यद्यपि, चित्र ६d र e ले मुक्त ऊर्जा र गठनको अन्तिम ताप (HF) को तापक्रम निर्भरता देखाउँछन्। HF लाई प्राकृतिक र मानक अवस्थाहरूमा पदार्थको एक मोल यसको तत्वहरूबाट बनाउँदा हुने एन्थाल्पी परिवर्तनको रूपमा परिभाषित गर्न सकिन्छ। चित्रबाट यो स्पष्ट हुन्छ कि अध्ययन गरिएका सबै संरचनाहरूको मुक्त ऊर्जा र गठनको अन्तिम तापले तापक्रममा रेखीय निर्भरता देखाउँछ, अर्थात्, तिनीहरू बढ्दो तापक्रमसँगै बिस्तारै र रेखीय रूपमा बढ्छन्। थप रूपमा, चित्रले यो पनि पुष्टि गर्‍यो कि पद १ Na Alg − ३PVA- मध्य १ Na Alg − ६ Gly प्रतिनिधित्व गर्ने संरचनामा सबैभन्दा कम मुक्त ऊर्जा र सबैभन्दा कम HF छ। दुबै प्यारामिटरहरू १ Na Alg − ३PVA- मध्य १ Na Alg − ६ Gly मा -७५८.३३७ बाट -८९९.७४१ K cal/mol मा घटेर -१,४७६.५९१ र -१,८२८.५२३ K cal/mol मा घटे। नतिजाहरूबाट यो स्पष्ट हुन्छ कि ग्लिसरॉल एकाइहरूको वृद्धिसँगै HF घट्छ। यसको अर्थ कार्यात्मक समूहहरूको वृद्धिको कारणले गर्दा, प्रतिक्रियाशीलता पनि बढ्छ र त्यसैले प्रतिक्रिया गर्न कम ऊर्जा आवश्यक पर्दछ। यसले पुष्टि गर्दछ कि प्लास्टिकाइज्ड PVA/NaAlg यसको उच्च प्रतिक्रियाशीलताको कारणले ब्याट्रीहरूमा प्रयोग गर्न सकिन्छ।
सामान्यतया, तापक्रम प्रभावहरू दुई प्रकारमा विभाजित हुन्छन्: कम-तापमान प्रभावहरू र उच्च-तापमान प्रभावहरू। कम तापक्रमको प्रभाव मुख्यतया ग्रीनल्याण्ड, क्यानडा र रूस जस्ता उच्च अक्षांशहरूमा अवस्थित देशहरूमा महसुस गरिन्छ। जाडोमा, यी ठाउँहरूमा बाहिरी हावाको तापक्रम शून्य डिग्री सेल्सियसभन्दा कम हुन्छ। लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको आयु र कार्यसम्पादन कम तापक्रमले प्रभावित हुन सक्छ, विशेष गरी प्लग-इन हाइब्रिड इलेक्ट्रिक सवारी साधनहरू, शुद्ध विद्युतीय सवारी साधनहरू, र हाइब्रिड इलेक्ट्रिक सवारी साधनहरूमा प्रयोग हुने। अन्तरिक्ष यात्रा अर्को चिसो वातावरण हो जसलाई लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू आवश्यक पर्दछ। उदाहरणका लागि, मंगल ग्रहको तापक्रम -१२० डिग्री सेल्सियसमा खस्न सक्छ, जसले अन्तरिक्षयानमा लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको प्रयोगमा महत्त्वपूर्ण बाधा खडा गर्छ। कम सञ्चालन तापक्रमले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको चार्ज स्थानान्तरण दर र रासायनिक प्रतिक्रिया गतिविधिमा कमी ल्याउन सक्छ, जसको परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोड भित्र लिथियम आयनहरूको प्रसार दर र इलेक्ट्रोलाइटमा आयनिक चालकतामा कमी आउँछ। यो गिरावटको परिणामस्वरूप ऊर्जा क्षमता र शक्ति कम हुन्छ, र कहिलेकाहीँ कार्यसम्पादन पनि कम हुन्छ।
उच्च तापक्रम प्रभाव उच्च र कम तापक्रम दुवै वातावरण सहित अनुप्रयोग वातावरणको फराकिलो दायरामा हुन्छ, जबकि कम तापक्रम प्रभाव मुख्यतया कम तापक्रम अनुप्रयोग वातावरणमा सीमित हुन्छ। कम तापक्रम प्रभाव मुख्यतया परिवेशको तापक्रम द्वारा निर्धारण गरिन्छ, जबकि उच्च तापक्रम प्रभाव सामान्यतया सञ्चालनको क्रममा लिथियम-आयन ब्याट्री भित्रको उच्च तापक्रमलाई बढी सही रूपमा श्रेय दिइन्छ।
लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूले उच्च वर्तमान अवस्था (छिटो चार्जिङ र छिटो डिस्चार्जिङ सहित) अन्तर्गत ताप उत्पन्न गर्छन्, जसले गर्दा आन्तरिक तापक्रम बढ्छ। उच्च तापक्रमको सम्पर्कमा आउँदा ब्याट्रीको कार्यसम्पादनमा गिरावट आउन सक्छ, जसमा क्षमता र शक्तिको क्षति पनि समावेश छ। सामान्यतया, लिथियमको क्षति र उच्च तापक्रममा सक्रिय सामग्रीहरूको पुन: प्राप्तिले क्षमतामा कमी निम्त्याउँछ, र आन्तरिक प्रतिरोधमा वृद्धिको कारणले गर्दा शक्तिमा कमी आउँछ। यदि तापक्रम नियन्त्रण बाहिर जान्छ भने, थर्मल रनअवे हुन्छ, जसले केही अवस्थामा स्वतःस्फूर्त दहन वा विस्फोट पनि निम्त्याउन सक्छ।
QSAR गणनाहरू जैविक गतिविधि र यौगिकहरूको संरचनात्मक गुणहरू बीचको सम्बन्ध पहिचान गर्न प्रयोग गरिने कम्प्युटेसनल वा गणितीय मोडेलिङ विधि हो। सबै डिजाइन गरिएका अणुहरूलाई अनुकूलित गरिएको थियो र केही QSAR गुणहरू PM6 स्तरमा गणना गरिएको थियो। तालिका ३ ले केही गणना गरिएका QSAR वर्णनकर्ताहरूलाई सूचीबद्ध गर्दछ। त्यस्ता वर्णनकर्ताहरूको उदाहरणहरू चार्ज, TDM, कुल ऊर्जा (E), आयनीकरण क्षमता (IP), लग P, र ध्रुवीकरणशीलता हुन् (IP र लग P निर्धारण गर्ने सूत्रहरूको लागि तालिका १ हेर्नुहोस्)।
गणना परिणामहरूले देखाउँछ कि अध्ययन गरिएका सबै संरचनाहरूको कुल चार्ज शून्य छ किनकि तिनीहरू जमिनको अवस्थामा छन्। पहिलो अन्तरक्रिया सम्भाव्यताको लागि, 3PVA-(C10) 2Na Alg को लागि ग्लिसरोलको TDM 2.788 Debye र 6.840 Debye थियो, जबकि 3PVA-(C10) 2Na Alg ले क्रमशः 1, 2, 3, 4 र 5 एकाइ ग्लिसरोलसँग अन्तरक्रिया गर्दा TDM मानहरू 17.990 Debye, 8.848 Debye, 5.874 Debye, 7.568 Debye र 12.779 Debye मा बढाइएको थियो। TDM मान जति उच्च हुन्छ, वातावरणसँग यसको प्रतिक्रियाशीलता त्यति नै उच्च हुन्छ।
कुल ऊर्जा (E) पनि गणना गरिएको थियो, र ग्लिसरॉल र 3PVA-(C10)2 NaAlg को E मानहरू क्रमशः -141.833 eV र -200092.503 eV पाइएको थियो। यसैबीच, 3PVA-(C10)2 NaAlg को प्रतिनिधित्व गर्ने संरचनाहरूले 1, 2, 3, 4 र 5 ग्लिसरॉल एकाइहरूसँग अन्तर्क्रिया गर्छन्; E क्रमशः -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 र -1548.031 eV बन्छ। ग्लिसरॉल सामग्री बढाउँदा कुल ऊर्जामा कमी आउँछ र त्यसैले प्रतिक्रियाशीलतामा वृद्धि हुन्छ। कुल ऊर्जा गणनाको आधारमा, यो निष्कर्ष निकालियो कि मोडेल अणु, जुन 3PVA-2Na Alg-5 Gly हो, अन्य मोडेल अणुहरू भन्दा बढी प्रतिक्रियाशील छ। यो घटना तिनीहरूको संरचनासँग सम्बन्धित छ। 3PVA-(C10)2NaAlg मा केवल दुई -COONa समूहहरू छन्, जबकि अन्य संरचनाहरूमा दुई -COONa समूहहरू छन् तर धेरै OH समूहहरू बोक्छन्, जसको अर्थ वातावरणप्रति तिनीहरूको प्रतिक्रियाशीलता बढेको छ।
यसका साथै, यस अध्ययनमा सबै संरचनाहरूको आयनीकरण ऊर्जा (IE) लाई विचार गरिएको छ। अध्ययन गरिएको मोडेलको प्रतिक्रियाशीलता मापन गर्नको लागि आयनीकरण ऊर्जा एक महत्त्वपूर्ण प्यारामिटर हो। अणुको एक बिन्दुबाट अनन्तमा इलेक्ट्रोन सार्न आवश्यक ऊर्जालाई आयनीकरण ऊर्जा भनिन्छ। यसले अणुको आयनीकरण (अर्थात् प्रतिक्रियाशीलता) को डिग्रीलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ। आयनीकरण ऊर्जा जति उच्च हुन्छ, प्रतिक्रियाशीलता त्यति नै कम हुन्छ। १, २, ३, ४ र ५ ग्लिसरॉल एकाइहरूसँग अन्तर्क्रिया गर्ने 3PVA-(C10)2NaAlg को IE परिणामहरू क्रमशः -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 र -9.323 eV थिए, जबकि ग्लिसरॉल र 3PVA-(C10)2NaAlg को IE क्रमशः -5.157 र -9.341 eV थिए। ग्लिसरोल थप्दा IP मानमा कमी आएको हुनाले, आणविक प्रतिक्रियाशीलता बढ्यो, जसले विद्युत रासायनिक उपकरणहरूमा PVA/NaAlg/ग्लिसरोल मोडेल अणुको प्रयोज्यता बढाउँछ।
तालिका ३ मा पाँचौं वर्णनकर्ता Log P हो, जुन विभाजन गुणांकको लोगारिदम हो र अध्ययन गरिँदै गरेको संरचना हाइड्रोफिलिक वा हाइड्रोफोबिक हो कि भनेर वर्णन गर्न प्रयोग गरिन्छ। ऋणात्मक Log P मानले हाइड्रोफिलिक अणुलाई जनाउँछ, जसको अर्थ यो पानीमा सजिलै घुल्छ र जैविक विलायकहरूमा राम्रोसँग घुल्दैन। सकारात्मक मानले विपरीत प्रक्रियालाई जनाउँछ।
प्राप्त नतिजाहरूको आधारमा, यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि सबै संरचनाहरू हाइड्रोफिलिक छन्, किनकि तिनीहरूको Log P मानहरू (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly र 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) क्रमशः -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 र -8.504 छन्, जबकि ग्लिसरोलको Log P मान मात्र -1.081 र 3PVA-(C10)2Na Alg मात्र -3.100 छ। यसको मतलब अध्ययन गरिँदै गरेको संरचनाको गुणहरू पानीका अणुहरू यसको संरचनामा समावेश हुँदा परिवर्तन हुनेछन्।
अन्तमा, सबै संरचनाहरूको ध्रुवीकरण क्षमताहरू पनि अर्ध-अनुभवजन्य विधि प्रयोग गरेर PM6 स्तरमा गणना गरिन्छ। यो पहिले उल्लेख गरिएको थियो कि धेरैजसो सामग्रीहरूको ध्रुवीकरण क्षमता विभिन्न कारकहरूमा निर्भर गर्दछ। सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण कारक अध्ययन अन्तर्गत संरचनाको आयतन हो। 3PVA र 2NaAlg बीचको पहिलो प्रकारको अन्तरक्रिया समावेश गर्ने सबै संरचनाहरूको लागि (अन्तर्क्रिया कार्बन परमाणु नम्बर 10 मार्फत हुन्छ), ग्लिसरॉल थपेर ध्रुवीकरण क्षमता सुधार हुन्छ। 1, 2, 3, 4 र 5 ग्लिसरॉल एकाइहरूसँगको अन्तरक्रियाको कारण ध्रुवीकरण क्षमता 29.690 Å बाट 35.076, 40.665, 45.177, 50.239 र 54.638 Å सम्म बढ्छ। यसरी, यो पत्ता लाग्यो कि सबैभन्दा बढी ध्रुवीकरण क्षमता भएको मोडेल अणु 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly हो, जबकि सबैभन्दा कम ध्रुवीकरण क्षमता भएको मोडेल अणु 3PVA-(C10)2NaAlg हो, जुन 29.690 Å हो।
QSAR वर्णनकर्ताहरूको मूल्याङ्कनले पत्ता लगायो कि 3PVA-(C10)2NaAlg −5Gly को प्रतिनिधित्व गर्ने संरचना पहिलो प्रस्तावित अन्तरक्रियाको लागि सबैभन्दा प्रतिक्रियाशील छ।
PVA ट्रिमर र NaAlg डाइमर बीचको दोस्रो अन्तरक्रिया मोडको लागि, परिणामहरूले देखाउँछन् कि तिनीहरूको चार्जहरू पहिलो अन्तरक्रियाको लागि अघिल्लो खण्डमा प्रस्ताव गरिएका जस्तै छन्। सबै संरचनाहरूमा शून्य इलेक्ट्रोनिक चार्ज हुन्छ, जसको अर्थ तिनीहरू सबै जमिनको अवस्थामा छन्।
तालिका ४ मा देखाइए अनुसार, टर्म १ ना अल्ग - ३PVA-मिड १ ना अल्गको TDM मानहरू (PM6 स्तरमा गणना गरिएको) ११.५८१ डेब्येबाट बढेर १५.७५६, १९.७२०, २१.७५६, २२.७३२, १५.५०७, र १५.७५६ पुगे जब टर्म १ ना अल्ग - ३PVA-मिड १ ना अल्गले १, २, ३, ४, ५, र ६ एकाइ ग्लिसरॉलसँग प्रतिक्रिया गर्‍यो। यद्यपि, ग्लिसरॉल एकाइहरूको संख्या बढ्दै जाँदा कुल ऊर्जा घट्छ, र जब अवधि 1 Na Alg − 3PVA- मध्य 1 Na Alg ले निश्चित संख्यामा ग्लिसरॉल एकाइहरू (1 देखि 6) सँग अन्तरक्रिया गर्छ, कुल ऊर्जा क्रमशः − 996.985, − 1129.013, − 1267.211, − 1321.775, − 1418.964, र − 1637.432 eV हुन्छ।
दोस्रो अन्तरक्रिया सम्भाव्यताको लागि, सिद्धान्तको PM6 स्तरमा IP, Log P र ध्रुवीकरणशीलता पनि गणना गरिन्छ। त्यसकारण, तिनीहरूले आणविक प्रतिक्रियाशीलताको तीन सबैभन्दा शक्तिशाली वर्णनकर्ताहरूलाई विचार गरे। 1, 2, 3, 4, 5 र 6 ग्लिसरॉल एकाइहरूसँग अन्तर्क्रिया गर्ने End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg प्रतिनिधित्व गर्ने संरचनाहरूको लागि, IP −9.385 eV बाट −8.946, −8.848, −8.430, −9.537, −7.997 र −8.900 eV मा बढ्छ। यद्यपि, ग्लिसरॉलको साथ End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg को प्लास्टिसाइजेसनको कारण गणना गरिएको Log P मान कम थियो। ग्लिसरोलको मात्रा १ देखि ६ सम्म बढ्दै जाँदा, यसको मान -३.६४३ को सट्टा -५.३३४, -६.४१५, -७.४९६, -९.०९६, -९.८६१ र -१०.५३ बन्छ। अन्तमा, ध्रुवीकरणयोग्यता तथ्याङ्कले देखायो कि ग्लिसरोलको मात्रा बढाउँदा टर्म १ ना अल्ग- ३पीभीए- मिड १ ना अल्गको ध्रुवीकरणयोग्यता बढ्यो। मोडेल अणु टर्म १ ना अल्ग- ३पीभीए- मिड १ ना अल्गको ध्रुवीकरणयोग्यता ६ ग्लिसरोल एकाइहरूसँग अन्तर्क्रिया पछि ३१.७०३ Å बाट ६३.१९८ Å पुग्यो। यो ध्यान दिनु महत्त्वपूर्ण छ कि दोस्रो अन्तर्क्रिया सम्भाव्यतामा ग्लिसरोल एकाइहरूको संख्या बढाउनु भनेको ठूलो संख्यामा परमाणुहरू र जटिल संरचनाको बावजुद, ग्लिसरोल सामग्रीको वृद्धिसँगै प्रदर्शन अझै पनि सुधारिएको छ भनेर पुष्टि गर्न गरिन्छ। तसर्थ, यो भन्न सकिन्छ कि उपलब्ध PVA/Na Alg/ग्लिसरीन मोडेलले आंशिक रूपमा लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू प्रतिस्थापन गर्न सक्छ, तर थप अनुसन्धान र विकास आवश्यक छ।
सतहको सोस्ने क्षमतालाई सोस्ने क्षमताको रूपमा चित्रण गर्न र प्रणालीहरू बीचको अद्वितीय अन्तरक्रियाको मूल्याङ्कन गर्न कुनै पनि दुई परमाणुहरू बीच अवस्थित बन्धनको प्रकार, अन्तरआणविक र अन्तरआणविक अन्तरक्रियाको जटिलता, र सतह र सोस्ने पदार्थको इलेक्ट्रोन घनत्व वितरणको ज्ञान आवश्यक पर्दछ। QTAIM विश्लेषणमा बन्धनको शक्तिको मूल्याङ्कन गर्न अन्तरक्रिया गर्ने परमाणुहरू बीचको बन्धन महत्वपूर्ण बिन्दु (BCP) मा इलेक्ट्रोन घनत्व महत्त्वपूर्ण छ। इलेक्ट्रोन चार्ज घनत्व जति उच्च हुन्छ, सहसंयोजक अन्तरक्रिया त्यति नै स्थिर हुन्छ र सामान्यतया, यी महत्वपूर्ण बिन्दुहरूमा इलेक्ट्रोन घनत्व त्यति नै उच्च हुन्छ। यसबाहेक, यदि कुल इलेक्ट्रोन ऊर्जा घनत्व (H(r)) र ल्याप्लेस चार्ज घनत्व (∇2ρ(r)) दुवै ० भन्दा कम छन् भने, यसले सहसंयोजक (सामान्य) अन्तरक्रियाको उपस्थितिलाई संकेत गर्दछ। अर्कोतर्फ, जब ∇2ρ(r) र H(r) ०.५४ भन्दा बढी हुन्छन्, यसले कमजोर हाइड्रोजन बन्धन, भ्यान डेर वाल्स बल र इलेक्ट्रोस्टेटिक अन्तरक्रिया जस्ता गैर-सहसंयोजक (बन्द खोल) अन्तरक्रियाको उपस्थितिलाई संकेत गर्दछ। QTAIM विश्लेषणले चित्र ७ र ८ मा देखाइए अनुसार अध्ययन गरिएका संरचनाहरूमा गैर-सहसंयोजक अन्तरक्रियाको प्रकृति प्रकट गर्‍यो। विश्लेषणको आधारमा, 3PVA − 2Na Alg र टर्म 1 Na Alg − 3PVA – मध्य 1 Na Alg प्रतिनिधित्व गर्ने मोडेल अणुहरूले विभिन्न ग्लाइसिन एकाइहरूसँग अन्तर्क्रिया गर्ने अणुहरू भन्दा उच्च स्थिरता देखाए। यो किनभने इलेक्ट्रोस्टेटिक अन्तर्क्रिया र हाइड्रोजन बन्ड जस्ता अल्जिनेट संरचनामा बढी प्रचलित धेरै गैर-सहसंयोजक अन्तर्क्रियाहरूले अल्जिनेटलाई कम्पोजिटहरू स्थिर गर्न सक्षम बनाउँछन्। यसबाहेक, हाम्रा नतिजाहरूले 3PVA − 2Na Alg र टर्म 1 Na Alg − 3PVA – मध्य 1 Na Alg मोडेल अणुहरू र ग्लाइसिन बीच गैर-सहसंयोजक अन्तर्क्रियाको महत्त्व प्रदर्शन गर्दछ, जसले संकेत गर्दछ कि ग्लाइसिनले कम्पोजिटहरूको समग्र इलेक्ट्रोनिक वातावरण परिमार्जन गर्न महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छ।
(a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, र (f) 5Gly सँग अन्तरक्रिया गर्ने मोडेल अणु 3PVA − 2NaAlg को QTAIM विश्लेषण।