फॉस्फेट आयरन पर संक्षिप्त चर्चा

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जिन लोगों को रुचि है, वे मेरे अन्य लेख देख सकते हैं: http://www.haolin.biz/UserForum/blog/bloghome.html। जो लोग नए ऊर्जा स्रोतों से संबंधित तकनीकों में रुचि रखते हैं, उन्हें तो पता ही होगा कि फॉस्फेट आयरन लिथियम सामग्री एवं ट्राइमेरिक सामग्री के बीच क्या संघर्ष है। वास्तव में, उच्च गुणवत्ता वाला लिथियम आयरन फॉस्फेट प्राप्त करना आसान काम नहीं है। प्रक्रिया संबंधी शर्तों को नियंत्रित करने के अलावा, कच्चे माल की गुणवत्ता संबंधी आवश्यकताएँ भी बहुत ही कड़ी होती हैं। वास्तव में, उच्च गुणवत्ता वाली लिथियम आयरन फॉस्फेट सामग्री तैयार करने हेतु, पहले ही उच्च गुणवत्ता वाले प्रीकर्सरों को तैयार करना आवश्यक है; और लिथियम आयरन फॉस्फेट का उपयोग प्रीकर्सर बनाने हेतु एक बेहतरीन विकल्प है। हालाँकि, वर्तमान में भी आयरन फॉस्फेट बनाने की प्रक्रिया अपरिपक्व है, एवं उत्पादों का प्रदर्शन भी अस्थिर रहता है। भौतिक-रासायनिक गुण: फॉस्फेट आयरन FePO4 को “पॉजिटिव फॉस्फेट आयरन” या “फॉस्फेट हाइड्रोजन आयरन” भी कहा जाता है। इसका घनत्व 2.74 है। प्रकृति में पाया जाने वाला FePO4 को “लैपिस लैजुली” भी कहा जाता है। FePO4 में आयरन तीन वैलेंस वाला होता है, एवं यह ज्यादातर द्विजलीय रूप में ही पाया जाता है। सल्फ्यूरिक एसिड के अलावा, यह अन्य अम्लों में भी घुलनशील नहीं है; पानी, एसिटिक एसिड एवं अल्कोहल में भी यह लगभग घुलता ही नहीं है। यह एक सफ़ेद/धूसर-सफ़ेद रंग का एकाक्षीय क्रिस्टलीय पाउडर है। यह लोहे के लवणों एवं सोडियम फॉस्फेट के अभिक्रिया से बनता है; इसमें लोहे की अवस्था धनात्मक तृतीयक है। इसकी विशेषताओं में गैर-विषैला होना, कम लागत होना, एवं स्थिर संरचना होना शामिल है। विभिन्न आयरन-फॉस्फोरस अनुपातों से बने आयरन फॉस्फेट के SEM चित्र (स्रोत: साहित्य)। आयरन फॉस्फेट की कई विभिन्न संरचनाएँ होती हैं; मुख्य रूप से आइसोफॉस्फोराइट, मोनोक्लीनिकल, a-क्वार्ट्ज संरचना, ट्राइक्लीनिकल एवं अक्रिस्टलीय संरचनाएँ आदि। जबकि, आइसोफॉस्फेट-आयरन-मैंगनीज खनिज की संरचना वाला आयरन फॉस्फेट, LiFePO4 का डी-लिथियमीकरण प्रक्रिया के द्वारा उत्पन्न उत्पाद है। दोनों की संरचनाएँ समान हैं, एवं दोनों ही ऑर्थोगोनल क्रिस्टल सिस्टम से संबंधित हैं। ट्राइक्लिनिक क्रिस्टल सिस्टम में पाए जाने वाले फॉस्फेटाइट FePO4·2H2O की क्रिस्टल संरचना, PO4 टेट्राहेड्रॉनों एवं FeO6 ऑक्टाहेड्रॉनों द्वारा साझा किए गए कोणों से बनी त्रि-आयामी संरचना है। ट्राइक्लिनिक क्रिस्टल सिस्टम में ऐसी संरचना वाले FePO4·2H2O की ऊष्मा-स्थिरता, टेट्रागोनल क्रिस्टल सिस्टम की तुलना में कम होती है। अध्ययनों से पता चला है कि एकल-विकर्णीय संरचना वाले FePO4·2H2O के विद्युत-रासायनिक गुण, त्रिकोणीय संरचना वाले FePO4·2H2O की तुलना में बेहतर होते हैं। एकल-विकर्णीय संरचना वाले FePO4·2H2O में, Fe-O-Fe बंधनों के कारण यह यौगिक अत्यधिक विपरीत-चुंबकीय गुण दिखाता है; इसके विद्युत-रासायनिक एवं चुंबकीय गुण, इसकी संरचना से ही संबंधित होते हैं। (जानकारी स्रोत: साहित्य) उपयोग के क्षेत्र: लोहे का उपयोग हजारों वर्षों से किया जा रहा है; जबकि लोहे के लवणों का व्यापक उपयोग औद्योगिक क्रांति के बाद ही शुरू हुआ। कई वर्षों के विकास एवं उपयोग के बाद, आयरन फॉस्फेट का उपयोग कई क्षेत्रों में हो रहा है; जैसे कि उत्प्रेरकों, प्रतिस्थापक पदार्थों, एवं इलेक्ट्रोड सामग्रियों के निर्माण हेतु। उत्प्रेरक के रूप में, नैनो-स्तरीय आयरन फॉस्फेट का उपयोग उत्प्रेरक के रूप में किया जा सकता है। यह डीऑक्सीगेनेशन प्रक्रियाओं में बहुत प्रभावी है, एवं चयनात्मक ऑक्सीकरण उत्प्रेरण में भी उपयोगी है। कार्बनिक संश्लेषण के क्षेत्र में इसकी अनुप्रयोगिक क्षमताएँ उल्लेखनीय हैं। एक अतिरिक्त पदार्थ के रूप में, आयरन फॉस्फेट का उपयोग सीमेंट में अतिरिक्त पदार्थ के रूप में, या लोहे को मजबूत बनाने हेतु भी किया जा सकता है। मैग्नीशियम ऑक्साइड सीमेंट में आयरन फॉस्फेट मिलाने पर मैग्नीशियम जेल एवं सीमेंट प्राप्त होता है; ऐसा सीमेंट जल-प्रतिरोधक गुणों के कारण बहुत उपयोगी होता है। चूँकि लोहा त्रिमूल्यक होता है, इसलिए यह हवा में आसानी से ऑक्सीकृत नहीं होता। इस कारण FePO4 को खाद्य पदार्थों में मिलाया जा सकता है; ऐसा करने से खाद्य पदार्थों को लंबे समय तक संग्रहीत किया जा सकता है। साथ ही, यह शरीर में लोहे की कमी को दूर करने में भी मदद करता है, जिससे हीमोग्लोबिन की ऑक्सीजन वहन करने की क्षमता बढ़ जाती है, एवं आयरन की कमी से होने वाली बीमारियों से बचा जा सकता है। इलेक्ट्रोड सामग्री एवं कच्चे माल के रूप में, त्रिमूल्यक FePO4 की लागत कम है; इसका स्रोत भी बहुत ही व्यापक है। साथ ही, इसमें उपयुक्त वोल्टेज एवं उच्च सैद्धांतिक आयतन भी है। इसलिए, यह लिथियम-आयन बैटरियों के कैथोड सामग्री के रूप में बहुत ही आशाजनक है। लेकिन FePO4 के कई क्रिस्टलीय रूप होते हैं, एवं इनकी विद्युत-रासायनिक गतिविधियाँ भी अलग-अलग होती हैं। अधिक विशिष्ट क्षमता प्राप्त करने हेतु, कणों के आकार को छोटा करना एक प्रभावी उपाय है। FePO4 का उपयोग इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में किया जाता है, एवं यही इसका मुख्य औद्योगिक उपयोग है। यह LiFePO4 के डी-लिथियमीकरण का उत्पाद है; इसलिए इसे इस सामग्री के निर्माण हेतु पूर्ववर्ती पदार्थ के रूप में उपयोग में लाया जा सकता है। जंग-रोधी रंग के रूप में, आयरन फॉस्फेट का उपयोग, सामान्य रूप से इस्तेमाल होने वाले विषाक्त पदार्थों जैसे रेड ऑक्साइड (Pb3O4), जिंक फॉस्फेट, पीबीक्रोमाइट (PbCrO4) एवं जिंकक्रोमाइट (जिसका मुख्य घटक ZnCrO4 है) के स्थान पर किया जा सकता है। इसका उपयोग इस्पात उत्पादों को जंग से बचाने हेतु व्यापक रूप से किया जाता है। इसकी जंग-रोधी प्रक्रिया को इस प्रकार समझा जा सकता है – डाइहाइड्रेटेड आयरन फॉस्फेट, जलविघटन के माध्यम से फॉस्फेट आयनों का निर्माण करता है; ये आयन इस्पात उत्पादों की सतह पर मौजूद त्रिमूल्यक आयरन आयनों के साथ प्रतिक्रिया करके FePO4 नामक पदार्थ की परत बनाते हैं। इस परत के कारण हवा एवं नमी, इस्पात उत्पादों की सतह के सीधे संपर्क में नहीं आ पाते, जिससे जंग लगने से बचा जा सकता है। संपादकीय टिप्पणी: क्रिस्टल सिस्टम – क्रिस्टलों को, उनके आदर्श आकार या समग्र सैद्धांतिक भौतिक गुणों के आधार पर, विशिष्ट सममिति तत्वों के आधार पर समकोणीय, षट्कोणीय, त्रिकोणीय, चतुर्कोणीय, ऑर्थोगोनल, मोनोक्लीनिक, ट्राइक्लीनिक आदि 7 श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है। ये 7 क्रिस्टल सिस्टम, 3 अलग-अलग क्रिस्टल समूहों में आते हैं। उच्च स्तरीय क्रिस्टल समूहों में केवल एक ही घनाकार क्रिस्टल प्रणाली होती ह ； मध्यम स्तरीय क्रिस्टल समूहों में षट्कोणीय, चतुर्भुजीय एवं त्रिकोणीय – ऐसे तीन क्रिस्टल प्र ； निम्न स्तरीय क्रिस्टल समूहों में ऑर्थोगोनल, मोनोक्लीनिक एवं ट्राइक्लीनिक नामक तीन क्रिस्टल प्रणालियाँ धनात्मक ध्रुव सामग्री: लिथियम-आयन बैटरियों की मुख्य सामग्रियों में इलेक्ट्रोलाइट, विभाजन सामग्री, धनात्मक एवं ऋणात्मक ध्रुव सामग्रियाँ आदि शामिल हैं। धनात्मक ध्रुव सामग्री का अनुपात काफी अधिक होता है (धनात्मक एवं ऋणात्मक ध्रुव सामग्रियों का द्रव्यमान अनुपात 3:1 से 4:1 होता है)। क्योंकि धनात्मक ध्रुव सामग्री के गुण, लिथियम-आयन बैटरी के प्रदर्शन को सीधे प्रभावित करते हैं; इसकी लागत भी बैटरी की कुल लागत को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।