कार्बन भौतिकी तथा अभियांत्रिकी

यह विशुद्ध तथा अनुप्रायोगिक कार्बन विज्ञान में अनुसंधान के प्रति समर्पित भारत का एक प्रमुख केन्द्र है जिसके मुख्य लक्ष्य हैं:- (1) ऐसे नवीन कार्बन उत्पादों की प्रक्रिया प्रोद्योगिकी का विकास करना जो कुशलता की दृष्टि से महत्वपूर्ण हों तथा राष्ट्र को किसी भी कीमत पर उपलब्ध न हों, (2) ऐसे उत्पादों का विकास करना जिन्हें भारत में उपलब्ध आधारभूत सुविधाओं, विशेषज्ञों तथा संसाधनों के उपयोग से अभिनव प्रक्रिया द्वारा किफायती बनाया जा सके, (3) निरन्तर अनुसंधान तथा विकास, अनुसंधान प्रकाशन, पेटेंट, प्रौद्योगिकी हस्तातरंण, उद्योग, राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं आदि हेतु परामर्श कार्य के माध्यम से देश में कार्बन विज्ञान तथा प्रौद्योगिकी की सम्पूर्ण वृद्धि को प्रोत्साहित करना ।


अनुसंधान के बृहद् क्षेत्र

ऊर्जा अनुप्रयोग हेतु कार्बन पदार्थ कार्बन नैनो ट्यूब विशिष्ट कार्बन पदार्थ नवीन पहल
सरंध्रित कार्बन पेपर

कार्बन सम्मिश्र द्विध्रुवीय प्लेट

Li-ion बैटरी हेतु कार्बन

हल्के वजन वाली लेड एसिड
बैटरी


संश्लेषण

सम्मिश्र

a थर्मोप्लास्टिक

b थर्मोसैटिंग

c कार्बन - कार्बन

d धातु




Q1 मुक्त
पिच संसाधन प्लांट की
अप-स्केलिंग

विशिष्ट कोक पाउडर तथा
मेसोकार्बन माइक्रोबीड्स

ग्रैफिन

इलेट्रोस्पन नैनो फाइबर

CNT/A1 मैट्रिक्स सम्मिश्र

वर्तमान में, यह समूह स्वच्छ ऊर्जा उत्पादन हेतु विशिष्ट उत्पादों तथा युक्तिपूर्ण महत्वपूर्ण उन्नत कार्बन पदार्थों के विकास हेतु कई राष्ट्रीय तथा अंतरराष्ट्रीय सहयोग परियोजनाओं पर कार्य कर रहा है । वर्तमान में चल रही कुछ परियोजनाएँ इस प्रकार है:-

सौर ऊर्जा भण्डारण हेतु नवीन समाधान (Li-ion बैटरी) - सी एस आई आर - टैपसन

विद्युत - प्रचक्रण द्वारा निरन्तर कार्बन नैनो फाइबर का विकास - डी एस टी

निम्न लागत - उच्च क्षमता युक्त व्यावसायिक तौर पर व्यवहारिक पाॅलीमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन (PEM) ईंधन सेल के उत्पादन हेतु कार्बन नैनो - कम्पोजिट में प्लेटिनम धातु लोडिंग को कम करने का एक नवीन मार्ग - ए आई एस आर ए एफ, भारत - ऑस्ट्रेलिया ।

स्थिर अनुप्रयोगों हेतु पाॅलीमर इलेक्ट्रोलाइट ईंधन सेल (पीईएफसी) का विकास तथा प्रदर्शन - सी.एस.आई.आर.- एन.एन.आई.टी.एल.आई

माइक्रोवेव सुग्राहक (Susceptor) अनुप्रयोग हेतु उपयुक्त उच्च तापमान सिलिकन कार्बाइड पदार्थाें का विकास - डी एस टी ।

ग्रैफीन आधारित पाॅलीमर कम्पोजिट का संश्लेशण तथा विकास: पाॅलीमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन ईंधन सेल में इसका अनुप्रयोग: डी एस टी ।
अगली पीढ़ी के ऊर्जा - समर्थ - उपकरण (D-NEED) हेतु उन्नत पदार्थों का विकास -XII पंचवर्षीय योजना के अंतर्गत सी एस आई आर नेटवर्क । पिछले एक वर्ष के दौरान हासिल की गयी कुछ उपलब्धियों का यहां विवरण दिया जा रहा है ।

विस्तारित ग्रेफाइट के पुनः - अपपर्णन द्वारा एकल - परत ग्रैफीन का संश्लेशण ग्रैफीन (Gr), SB2अनुबद्ध कार्बन परमाणुओं, जो कि एक हनीकाॅम्ब क्रिस्टल लैटिस में सघनतापूर्वक पैक होते हैं, की पारदर्शी एकल-परमाणु - मोटी प्लानर शीट है । इसे ‘विश्व का सर्वाधिक पतला पदार्थ’ माना जाता है जो सी एन टी के समान अथवा उससे कुछ अधिक किन्तु इस्पात से कहीं अधिक क्षमता युक्त है ।






स्थिर अनुप्रयोगों हेतु पाॅलीमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन ईंधन सेल (PEMFC) का विकास तथा प्रदर्शन

ईंधन सेल वे विद्युत रासायनिक उपकरण हैं जो अभिकारकों (हाइड्रोजन तथा आॅक्सीजन) की रासायनिक ऊर्जा को सीधे उच्च क्षमता युक्त विद्युत तथा ऊष्मा में रूपांतरित कर देते हैं । चूंकि इसका एकमात्र उपोत्पाद जल है । अतः यह ऊर्जा का अत्यधिक पर्यावरण हितैशी स्रोत है । सी एस आई आर ने एन एम आई टी एल आई मिशन के तहत समस्त स्वदेशी घटकों के उपयोग से एक PEM ईंधन सेल स्टैक का विकास तथा प्रदर्शन करने हेतु तीन प्रयोगशालाओं सीएसआईआर-एनपीएल, सीएसआईआर-एनसीएल तथा सीएसआईआर-सीईसीआरआई की नेटवर्किंग से एक कार्यक्रम की शुरूआत की । एन पी एल ने ईंधन सेल के दो महत्वपूर्ण कार्बन घटकों, सरंध्र कडक्टिंग कार्बन पेपर तथा कम्पोजिट द्विध्रुवी प्लेट जो व्यावसायिक रूप से उपलब्ध घटकों के प्रदर्शन से मेल खाते हैं, का सफलतापूर्वक विकास किया है । एनपीएल सरंध्र कडक्टिंग कार्बन पेपर तथा एन पी एल कार्बन कम्पोजिट द्विध्रुवी प्लेटों के उपयोग से एक 1 kW पाॅलीमर इलेक्ट्रोलाइड मेम्ब्रेन ईंधन सेल (PEMFC) स्टैक, सीईसीआरआई में उपयोग किया जा रहा है ।

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(a) समस्त स्वेदशी घटकों से युक्त 500 W PEM ईंधन सेल स्टैक

(b) एन पी एल द्विध्रुवी प्लेट

(c) सरंध्र कडंक्टिंग कार्बन पेपर सीईसीआरआई को इन दो घटकों की निरंतर आपूर्ति के अतिरिक्त, अनुसंधान तथा विकास, उत्पादों की गुणवत्ता को और अधिक बेहतर बनाने के लिए प्रयत्नशील है तथा दीर्घावधि स्थायित्व परीक्षण भी करता है ।


सरंध्र कंडक्टिंग कार्बन पेपर हेतु एन पी एल प्रौद्योगिकी का व्यावसायीकरण

ईंधन सेल के समुचित संचालन में कार्बन पेपर इलेक्ट्रोड की महत्वपूर्ण भूमिका होती है । कार्बन पेपर प्रौद्योगिकी को एन पी एल द्वारा सफलतापूर्वक विकसित किया गया है तथा प्रक्रिया की तकनीकी जानकारी मैसर्स एच ई जी, भोपाल को हस्तांतरित कर दी गयी है ।

एन पी एल प्रौद्योगिकी की सहायता से, मैसर्स एच ई जी ने ऐसा कार्बन पेपर तैयार किया है जो कार्य-प्रदर्शन में जापान के व्वावसायिक मानक टोरे (Toray) के समतुल्य है तथा भारत के ईंधन सेल कार्यक्रम हेतु कार्बन पेपर की आवश्यकता की पूर्ति करता है ।

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PEMFC का HEG तथा टोरे (Toray) कार्बन पेपर के साथ तुलनात्मक कार्य-प्रदर्शन किफायती PEM ईंधन सेल हेतु बेहतर उच्च कार्य-प्रदर्शन वाला कार्बन पेपर किसी अतिरिक्त सैट-अप अथवा लागत के बिना उच्च ईंधन सेल कार्य-प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए सी एन टी समावेशित कार्बन पेपर के विकास हेतु एक नवीन तकनीक का उपयोग किया गया । उन्नत एन पी एल कार्बन पेपर से प्राप्त शीर्ष शक्ति घनत्व ने समान परिस्थितियों में परीक्षित व्यावसायिक तौर पर उपलब्ध मानक टोरे (Toray) कार्बन पेपर (जापान) की तुलना में लगभग 25 % की बढ़ोतरी का प्रदर्शन किया ।

यहां तक कि 40 % कम Pt लोडिंग के बाद भी, इसका प्रदर्शन टोरे (Toray) कार्बन पेपर की तुलना में बेहतर है, इस प्रकार यह भारतीय प्रौद्योगिकी को कीमत की दृष्टि से प्रतियोगी बनाता है । यह प्रदर्शन मूल्यांकन सी एस आई आर-सीईसीआरआई, चेन्नई में किया गया ।

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एन पी एल तथा टोरे (Toray) पेपर के
उपयोग से PEMFC का तुलनात्मक

प्रदर्शन (Catalyst : 0.5mg/cm2 Pt)

एन पी एल तथा टोरे (Toray) पेपर के
उपयोग से PEMFC का तुलनात्मक

प्रदर्शन (Catalyst : 0.3mg/cm2 Pt)

Li-ion बैटरी हेतु कार्बन आधारित एनोड का विकास विश्व स्तर पर ऊर्जा की बढ़ती मांग तथा हाइड्रोजन ईंधन के इस्तेमाल के द्रुश्प्रभावों के साथ, विद्युत रासायनिक सेल/बैटरी ऊर्जा भण्डारण हेतु एक सरल मार्ग है जो रासायनिक ऊर्जा भण्डारण को तथा इलेक्ट्रोड पर घटित होने वाले विद्युत रासायनिक आॅक्सीकरण एवं परिवर्तन अभिक्रिया द्वारा इसके रूपांतरण को सुवाह्य बनाता है । दीर्घ जीवन चक्र, संचालन की विस्तृत तापमान रेंज, निम्न सेल्फ-डिस्चार्ज दर, धारिता एवं उच्च घनत्व में उच्च प्रदर्शन के कारण Li-ion बैटरी (LIB) को अन्य सिस्टम से बेहतर माना गया ।

सेल के समुचित संचालन में एनोड सर्वाधिक महत्वपूर्ण है तथा Li-ion के लिए एक होस्ट के रूप में कार्य करता है । यह न केवल उच्च Li निवेशन क्षमता वाला होना चाहिए बल्कि उच्च चक्र-क्षमता तथा दीर्घतर सेल जीवन के लिए इसकी संरचनात्मक स्थिरता को सुरक्षित रखते हुए इसे लिथियम (Li) का सहजतापूर्वक अंतर्निवेशन/डिइन्टरकेलेशन (deintercalation) भी करना चाहिए ।

एन पी एल द्वारा उच्च स्थिति अनुपात कार्बन पदार्थों से युक्त नवीन मुक्त स्टैंडिंग एनोड पदार्थ विकसित किए गए हैं जिसमें सम्मिलित हैं:- फिनाइलिक रेसिन प्रबलित कार्बन फाइबर से मोल्डिंग तथा ऊष्मा उपचार द्वारा लिथियम (Li-ion) बैटरी के लिए एनोड तैयार किया गया । यह इलेक्ट्रोड 500 चक्रों से भी अधिक तक समान प्रदर्शन करता है ।

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कार्बन फाइबर पेपर डिस्चार्ज क्षमता 200 mAh/g,
चक्र की संख्या >500
एन पी एल एनोड तथा सी ई सी आर आई

कैथोड से निर्मित लिथियम-आयन (Li-ion)

बैटरी युक्त प्रकाशित सौर लैम्प

मुक्त अप्रगामी (Free-Standing) मल्टीवाॅल्ड कार्बन नैनोट्यूब (MWCNTs) आधारित एनोड

लचीली MWCNTs आधारित चक्रीय प्रदर्शन एन पी एल एनोड तथा सी एस आर आई
कैथोड से निर्मित लिथियम-आयन (Li-ion)
बैटरी युक्त प्रकाशित सौर लैंटर्न

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एन पी एल द्वारा रासायनिक वाष्प निक्षेपण तकनीक द्वारा MWCNTs का संश्लेशण किया गया है । लिथियम-आयन बैटरी हेतु मुक्त अप्रगामी, लचीली एनोड तैयार की गयी है जो उत्तरोत्तर चक्रों में वर्धमान धारिता का प्रदर्शन करती है ।

यह अध्ययन सी एस आई आर-टैपसन परियोजना ”सौर ऊर्जा भण्डारण हेतु नवीन समाधान” के अंतर्गत किया गया ।

समूह के वैज्ञानिक

डा. एस आर धकाटे (प्रमुख)
डा. बी पी सिंह
डा. प्रियंका एच माहेश्वरी
डा. किरन सूबेदार
डा. सरोज कुमारी



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