তড়িৎ-রাসায়নিক পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল

তড়িৎ রসায়নে, তড়িৎ-রাসায়নিক পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল (ইসিএসএ) হলো কোনো প্রভাবকের পৃষ্ঠতলের সেই অংশ যা সক্রিয়ভাবে জারণ-বিজারণ বিক্রিয়ায় অংশগ্রহণ করে। কোনো তড়িৎবিশ্লেষ্যের সংস্পর্শে থাকা প্রভাবকের পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফলকে জ্যামিতিক পৃষ্ঠতল ক্ষেত্রফল বলা হয়, তবে এটি তড়িৎ-রাসায়নিক বিক্রিয়ায় জড়িত প্রকৃত ক্ষেত্রফলের সাথে পুরোপুরি মেলে না। অন্যদিকে, ইসিএসএ প্রভাবকের প্রকৃত সক্রিয় পৃষ্ঠের হিসাব প্রদান করে এবং এটি বিভিন্ন তড়িৎ-প্রভাবক পদার্থের তুলনামূলক মূল্যায়নের মানদণ্ড হিসেবে কাজ করে। বিশেষ করে, এটি তড়িৎ-প্রভাবকের কার্যকারিতা গণনায় সহায়তা করে এবং জ্বালানি কোষ, পানির তড়িৎ বিশ্লেষণ ও ধাতু-বায়ু ব্যাটারির মতো ক্ষেত্রে প্রভাবক স্তরের স্থায়িত্ব ও কর্মদক্ষতা বৃদ্ধির প্রক্রিয়ায় ব্যবহৃত হয়।

 তাত্ত্বিক নীতিসমূহ 
তড়িৎ-রাসায়নিক পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল (ইসিএসএ) হলো প্রভাবকের বৈশিষ্ট্য নির্ধারণ, তুলনা এবং মানদণ্ড যাচাইয়ের জন্য ব্যবহৃত একটি প্যারামিটার। এটি নিম্নোক্তভাবে গণনা করা হয়:

এখানে:

  হলো প্রভাবকের উপর একটি নির্দিষ্ট অণুর অধিশোষণ/বিশোষণ প্রক্রিয়ার সময় স্থানান্তরিত মোট চার্জ।
  হলো নির্দিষ্ট চার্জ ঘনত্ব, যা সক্রিয় পৃষ্ঠতলের একক এলাকা জুড়ে অধিশোষিত অণু দ্বারা আবৃত করার জন্য প্রয়োজনীয় চার্জ এবং এটি রেফারেন্স মান হিসেবে ব্যবহৃত হয়।

এটি পিইএম জ্বালানি কোষের ক্ষেত্রে একটি আদর্শ পদ্ধতি হিসেবে স্বীকৃত, কারণ প্ল্যাটিনাম ন্যানোকণার ওপর হাইড্রোজেন এবং কার্বন মনোক্সাইডের অধিশোষণ/বিশোষণ সুপরিচিত। তবে সব ক্ষেত্রে এই প্রক্রিয়াটি স্পষ্ট নয়, যেমন নন-প্ল্যাটিনাম প্রভাবক, ক্ষারীয় তড়িৎবিশ্লেষ্য বা সুপারক্যাপাসিটরের ক্ষেত্রে। সেই সব ক্ষেত্রে নিম্নোক্ত সমীকরণ অনুযায়ী দ্বি-স্তরীয় ধারকত্বের ওপর ভিত্তি করে ইসিএসএ অনুমান করা হয়:

এখানে:

  হলো দ্বি-স্তরীয় ধারকত্ব।
  হলো আপেক্ষিক ধারকত্ব, যা প্রভাবকের একটি আদর্শ সমতল পৃষ্ঠের ধারকত্ব বোঝায়।

ইসিএসএকে বর্গ সেন্টিমিটারে প্রকাশ করা হয়, তবে একে জ্যামিতিক পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল দিয়ে স্বাভাবিক করা যেতে পারে (ইসিএসএ এবং জ্যামিতিক ক্ষেত্রফলের অনুপাতকে "অমসৃণতা গুণক" বলা হয়)।

ইসিএসএ এর জ্ঞান প্রভাবকের কার্যকারিতা মূল্যায়নের জন্য প্রয়োজনীয় আপেক্ষিক সক্রিয়তা এবং ভর সক্রিয়তা গণনার জন্য অপরিহার্য। আপেক্ষিক সক্রিয়তাকে মোট প্রবাহ এবং তড়িৎ-রাসায়নিক পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফলের অনুপাত হিসেবে সংজ্ঞায়িত করা হয়, যা প্রভাবকের সহজাত সক্রিয়তার একটি নির্দেশক। এর মান যত বেশি হবে, তড়িৎ-রাসায়নিক বিক্রিয়া ত্বরান্বিত করতে প্রভাবক তত বেশি দক্ষ হবে। অন্যদিকে, ভর সক্রিয়তাকে প্রভাবকের সক্রিয় উপাদানের প্রতি একক ভরে উৎপন্ন তড়িৎ প্রবাহ হিসেবে সংজ্ঞায়িত করা হয় এবং এটি প্রভাবকের ব্যবহারিক দক্ষতা মূল্যায়নে ব্যবহৃত হয়।

 পরিমাপ পদ্ধতিসমূহ 
তড়িৎ-রাসায়নিক পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল (ইসিএসএ) মূল্যায়নের জন্য একাধিক পদ্ধতি রয়েছে। সঠিক পদ্ধতি নির্বাচন নির্ভর করে প্রভাবকের উপাদান, কাজের পরিবেশ এবং তড়িৎ-রাসায়নিক বিক্রিয়ার প্রকৃতির ওপর। এই পদ্ধতিগুলোকে মূলত দুটি ভাগে ভাগ করা যায়:

 ফ্যারাডীয় পদ্ধতি: এটি জারণ-বিজারণ প্রক্রিয়ার সাথে জড়িত এবং চার্জ পরিবাহকের স্থানান্তরের পরিমাপের ওপর ভিত্তি করে।
 অ-ফ্যারাডীয় বা ধারকত্বীয় পদ্ধতি: এটি কোনো ফ্যারাডীয় প্রবাহের অনুপস্থিতিতে তড়িৎ-রাসায়নিক দ্বি-স্তরীয় ধারকত্ব পরিমাপের ওপর ভিত্তি করে।

উভয় পদ্ধতির জন্যই চক্রীয় ভোল্টামিতি (সিভি) প্রয়োজন, যা ইসিএসএ পরিমাপের একটি আদর্শ ডায়াগনস্টিক কৌশল। চক্রীয় ভোল্টামিতি প্রক্রিয়ায় একটি নির্দিষ্ট সীমার মধ্যে তড়িৎদ্বার বিভবকে চক্রাকারে স্ক্যান করা হয় এবং তড়িৎদ্বারের তড়িৎ প্রবাহের সাড়া পরিমাপ করা হয়। ব্যাটারি এবং সুপারক্যাপাসিটরের ক্ষেত্রে, ফ্যারাডীয় এবং ধারকত্বীয় পদ্ধতির জন্য তড়িৎ-রাসায়নিক ইমপেডেন্স বর্ণালীবীক্ষণ (ইআইএস) প্রয়োজন হয়।

 হাইড্রোজেন অধিশোষণ/বিশোষণ 
এই পদ্ধতিটি প্রভাবকের পৃষ্ঠতলে হাইড্রোজেন অধিশোষণ (Hads) এবং বিশোষণ (Hdes) এর সাথে জড়িত চার্জ পরিমাপের ওপর নির্ভর করে। মূলত, চক্রীয় ভোল্টামিতির সময় হাইড্রোজেনের বিশোষণের সময় স্থানান্তরিত চার্জ বিবেচনা করা হয় (দ্বি-স্তরীয় চার্জিংয়ের প্রভাব বাদ দিয়ে)। গাণিতিকভাবে, এটি হলো বিশোষণ পিকের ইন্টিগ্রাল মান থেকে দ্বি-স্তরীয় চার্জিংয়ের অবদান বিয়োগফল। চিত্রে একটি হাইড্রোজেন পিইএম জ্বালানি কোষের প্ল্যাটিনাম-ভিত্তিক তড়িৎদ্বারের সিভি বক্ররেখা দেখানো হয়েছে, যেখানে ধূসর অংশটি স্থানান্তরিত চার্জ নির্দেশ করে।

এই পদ্ধতির মূল অনুমানগুলো হলো:
 হাইড্রোজেন প্রভাবকের পৃষ্ঠে একটি একস্তরীয় আবরণ তৈরি করে।
 প্রতিটি হাইড্রোজেন পরমাণুর অধিশোষণ/বিশোষণে একটি করে ইলেকট্রন স্থানান্তরিত হয়।
 প্রভাবকের পৃষ্ঠের সব স্থান হাইড্রোজেনের জন্য সমানভাবে উন্মুক্ত।

নিয়ন্ত্রিত পরিবেশে মসৃণ প্ল্যাটিনাম পৃষ্ঠের জন্য এই পদ্ধতিটি অত্যন্ত নির্ভুল (সর্বোচ্চ আপেক্ষিক ত্রুটি ১০%)। তবে সংকর ধাতু বা অত্যন্ত ছিদ্রযুক্ত তড়িৎদ্বারের ক্ষেত্রে ত্রুটির পরিমাণ ১০%-এর বেশি হতে পারে।

 পৃষ্ঠতল অক্সাইড বিজারণ 
এই পদ্ধতিতে চক্রীয় ভোল্টামিতি স্ক্যানের সময় প্রভাবকের পৃষ্ঠে গঠিত ধাতব অক্সাইড প্রজাতির তড়িৎ-রাসায়নিক বিজারণের সাথে জড়িত চার্জ পরিমাপ করা হয়। হাইড্রোজেন অধিশোষণ পদ্ধতির মতোই অক্সাইড বিজারণ পিক থেকে অ-ফ্যারাডীয় অংশ বাদ দিয়ে স্থানান্তরিত চার্জ গণনা করা হয়। পূর্ববর্তী চিত্রে লাল রঙের অংশটি এই অবদান নির্দেশ করে।

হাইড্রোজেন অধিশোষণে বাধা রয়েছে এমন তড়িৎদ্বারের (যেমন প্যালেডিয়াম বা স্বর্ণ তড়িৎদ্বার) ক্ষেত্রে এই পদ্ধতিটি ব্যবহার করা হয়।

 সিও স্ট্রিপিং ভোল্টামিতি 
কার্বন মনোক্সাইডের (সিও) অনেক ধাতুর প্রতি উচ্চ রাসায়নিক আসক্তি রয়েছে। এই পদ্ধতিতে প্রথমে প্রভাবকের ওপর কার্বন মনোক্সাইডের একটি একস্তরীয় আবরণ তৈরি করা হয়। এরপর একটি নিষ্ক্রিয় পরিবেশে সিভি স্ক্যান করে অধিশোষিত কার্বন মনোক্সাইডকে জারিত করা হয়, যাকে সিও স্ট্রিপিং বলা হয়। এটি সিভি বক্ররেখায় একটি জারণ পিক তৈরি করে। এই পদ্ধতিটি প্রধানত সংকর ধাতু প্রভাবকের (যেমন Pt–Co, Pt–Ni) ক্ষেত্রে ব্যবহৃত হয়।

 দ্বি-স্তরীয় ধারকত্ব 
এই পদ্ধতিতে প্রভাবকের দ্বি-স্তরীয় ধারকত্ব পরিমাপ করে ইসিএসএ  নির্ণয় করা হয়। এখানে এমন একটি বিভব সীমার মধ্যে সিভি স্ক্যান করা হয় যেখানে কোনো ফ্যারাডীয় বিক্রিয়া ঘটে না এবং প্রবাহটি কেবল ধারকত্বীয় হয়। এরপর বিভিন্ন স্ক্যান রেটের বিপরীতে ধারকত্বীয় প্রবাহের গ্রাফ তৈরি করা হয়, যার ঢাল দ্বি-স্তরীয় ডিফারেনশিয়াল ধারকত্ব নির্দেশ করে:

এখানে:
  হলো পরিমাপকৃত তড়িৎ প্রবাহ (অ্যাম্পিয়ার)।
  হলো দ্বি-স্তরীয় ধারকত্ব (ফ্যারাড)।
  হলো বিভব পরিবর্তনের হার বা স্ক্যান রেট (ভোল্ট/সেকেন্ড)।

পরিশেষে, -কে একটি রেফারেন্স মান দ্বারা ভাগ করে ইসিএসএ পাওয়া যায়। তবে রেফারেন্স মানের ভিন্নতার কারণে এই পদ্ধতিতে ১০০% পর্যন্ত ত্রুটি হতে পারে।

 বিভব-নিম্ন অবক্ষেপণ (ইউপিডি) 
এই পদ্ধতিটি একটি অধিক মহৎ ধাতব স্তরের ওপর অন্য একটি ধাতুর একস্তরীয় অবক্ষেপণের ওপর ভিত্তি করে। এই প্রক্রিয়াটিকে বিভব-নিম্ন অবক্ষেপণ (ইউপিডি) বলা হয়। সাধারণত তামা (Cu), সীসা (Pb) বা বিসমাথ (Bi) ব্যবহার করে এটি করা হয়। পরবর্তীতে এই অবক্ষেপিত স্তরের স্ট্রিপিং (জারণ) চার্জ পরিমাপ করে ইসিএসএ গণনা করা হয়।

 ইমপেডেন্স-ভিত্তিক পদ্ধতি 
এই পদ্ধতিতে দ্বি-স্তরীয় ধারকত্ব পরিমাপের জন্য চক্রীয় ভোল্টামিতির পরিবর্তে তড়িৎ-রাসায়নিক ইমপেডেন্স বর্ণালীবীক্ষণ (ইআইএস) ব্যবহার করা হয়। পরিমাপকৃত ডেটাকে একটি তুল্য বৈদ্যুতিক বর্তনী মডেলের সাথে মেলানো হয় যাতে দ্বি-স্তরীয় ধারকত্ব উপাদান অন্তর্ভুক্ত থাকে। সুপারক্যাপাসিটর এবং ব্যাটারির ক্ষেত্রে এই পদ্ধতিটি বহুল প্রচলিত।

 আরও দেখুন 
 তড়িৎ-প্রভাবক
 চক্রীয় ভোল্টামিতি
 তড়িৎ-রাসায়নিক ইমপেডেন্স বর্ণালীবীক্ষণ
 জ্বালানি কোষ
 তড়িৎ বিশ্লেষক
 দ্বি-স্তরীয় ধারকত্ব

 তথ্যসূত্র 

 আরও পড়ুন 

 বহিঃসংযোগ 


বিষয়শ্রেণী:তড়িৎ-রাসায়নিক কোষ
বিষয়শ্রেণী:তড়িৎ রসায়ন
বিষয়শ্রেণী:তড়িৎদ্বার
বিষয়শ্রেণী:জারণ-বিজারণ