nature.com ની મુલાકાત લેવા બદલ આભાર. તમે જે બ્રાઉઝર વર્ઝનનો ઉપયોગ કરી રહ્યા છો તેમાં મર્યાદિત CSS સપોર્ટ છે. શ્રેષ્ઠ અનુભવ માટે, અમે નવીનતમ બ્રાઉઝર વર્ઝનનો ઉપયોગ કરવાની ભલામણ કરીએ છીએ (અથવા ઇન્ટરનેટ એક્સપ્લોરરમાં સુસંગતતા મોડ બંધ કરો). વધુમાં, સતત સપોર્ટ સુનિશ્ચિત કરવા માટે, આ સાઇટમાં સ્ટાઇલ અથવા JavaScript શામેલ હશે નહીં.
વિપુલ પ્રમાણમાં સોડિયમ સંસાધનને કારણે, સોડિયમ-આયન બેટરી (NIBs) ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઉર્જા સંગ્રહ માટે એક આશાસ્પદ વૈકલ્પિક ઉકેલ રજૂ કરે છે. હાલમાં, NIB ટેકનોલોજીના વિકાસમાં મુખ્ય અવરોધ ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીનો અભાવ છે જે લાંબા સમય સુધી સોડિયમ આયનોને ઉલટાવી શકાય તેવું સંગ્રહ/છોડી શકે છે. તેથી, આ અભ્યાસનો ઉદ્દેશ્ય NIB ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી તરીકે પોલિવિનાઇલ આલ્કોહોલ (PVA) અને સોડિયમ અલ્જીનેટ (NaAlg) મિશ્રણો પર ગ્લિસરોલ ઉમેરણની અસરની સૈદ્ધાંતિક તપાસ કરવાનો છે. આ અભ્યાસ PVA, સોડિયમ અલ્જીનેટ અને ગ્લિસરોલ મિશ્રણો પર આધારિત પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના ઇલેક્ટ્રોનિક, થર્મલ અને જથ્થાત્મક માળખું-પ્રવૃત્તિ સંબંધ (QSAR) વર્ણનકર્તાઓ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. આ ગુણધર્મોની તપાસ અર્ધ-અનુભવિક પદ્ધતિઓ અને ઘનતા કાર્યાત્મક સિદ્ધાંત (DFT) નો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. માળખાકીય વિશ્લેષણમાં PVA/અલજીનેટ અને ગ્લિસરોલ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની વિગતો જાહેર થઈ હોવાથી, બેન્ડ ગેપ ઊર્જા (Eg) ની તપાસ કરવામાં આવી હતી. પરિણામો દર્શાવે છે કે ગ્લિસરોલ ઉમેરવાથી Eg મૂલ્ય 0.2814 eV સુધી ઘટી જાય છે. મોલેક્યુલર ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક પોટેન્શિયલ સપાટી (MESP) સમગ્ર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સિસ્ટમમાં ઇલેક્ટ્રોન-સમૃદ્ધ અને ઇલેક્ટ્રોન-ગરીબ પ્રદેશો અને મોલેક્યુલર ચાર્જનું વિતરણ દર્શાવે છે. અભ્યાસ કરાયેલા થર્મલ પરિમાણોમાં એન્થાલ્પી (H), એન્ટ્રોપી (ΔS), ગરમી ક્ષમતા (Cp), ગિબ્સ મુક્ત ઊર્જા (G) અને રચનાની ગરમીનો સમાવેશ થાય છે. વધુમાં, આ અભ્યાસમાં કુલ દ્વિધ્રુવીય ક્ષણ (TDM), કુલ ઊર્જા (E), આયનીકરણ સંભવિત (IP), લોગ P અને ધ્રુવીકરણક્ષમતા જેવા અનેક જથ્થાત્મક માળખું-પ્રવૃત્તિ સંબંધ (QSAR) વર્ણનકર્તાઓની તપાસ કરવામાં આવી હતી. પરિણામો દર્શાવે છે કે વધતા તાપમાન અને ગ્લિસરોલ સામગ્રી સાથે H, ΔS, Cp, G અને TDM વધ્યા. દરમિયાન, રચનાની ગરમી, IP અને E ઘટ્યા, જેનાથી પ્રતિક્રિયાશીલતા અને ધ્રુવીકરણક્ષમતામાં સુધારો થયો. વધુમાં, ગ્લિસરોલ ઉમેરીને, કોષ વોલ્ટેજ 2.488 V સુધી વધ્યો. ખર્ચ-અસરકારક PVA/Na Alg ગ્લિસરોલ-આધારિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ પર આધારિત DFT અને PM6 ગણતરીઓ દર્શાવે છે કે તેઓ તેમની બહુવિધ કાર્યક્ષમતાને કારણે લિથિયમ-આયન બેટરીને આંશિક રીતે બદલી શકે છે, પરંતુ વધુ સુધારા અને સંશોધનની જરૂર છે.
લિથિયમ-આયન બેટરી (LIBs)નો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે, તેમ છતાં તેમના ટૂંકા ચક્ર જીવન, ઊંચી કિંમત અને સલામતીની ચિંતાઓને કારણે તેમના ઉપયોગને ઘણી મર્યાદાઓનો સામનો કરવો પડે છે. સોડિયમ-આયન બેટરી (SIBs) તેમની વ્યાપક ઉપલબ્ધતા, ઓછી કિંમત અને સોડિયમ તત્વની બિન-ઝેરીતાને કારણે LIBsનો એક સક્ષમ વિકલ્પ બની શકે છે. સોડિયમ-આયન બેટરી (SIBs) ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઉપકરણો માટે વધુને વધુ મહત્વપૂર્ણ ઊર્જા સંગ્રહ પ્રણાલી બની રહી છે. સોડિયમ-આયન બેટરીઓ આયન પરિવહનને સરળ બનાવવા અને વિદ્યુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરવા માટે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ પર ખૂબ આધાર રાખે છે2,3. પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ મુખ્યત્વે ધાતુના ક્ષાર અને કાર્બનિક દ્રાવકોથી બનેલા હોય છે. વ્યવહારુ ઉપયોગો માટે પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની સલામતીનો કાળજીપૂર્વક વિચાર કરવો જરૂરી છે, ખાસ કરીને જ્યારે બેટરી થર્મલ અથવા વિદ્યુત તાણને આધિન હોય છે4.
સોડિયમ-આયન બેટરી (SIBs) નજીકના ભવિષ્યમાં લિથિયમ-આયન બેટરીનું સ્થાન લેશે તેવી અપેક્ષા છે કારણ કે તેમાં વિપુલ પ્રમાણમાં સમુદ્રી ભંડાર, બિન-ઝેરીપણું અને ઓછી સામગ્રી કિંમત છે. નેનોમટીરિયલ્સના સંશ્લેષણથી ડેટા સ્ટોરેજ, ઇલેક્ટ્રોનિક અને ઓપ્ટિકલ ઉપકરણોના વિકાસને વેગ મળ્યો છે. સાહિત્યના મોટા જથ્થાએ સોડિયમ-આયન બેટરીમાં વિવિધ નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ (દા.ત., મેટલ ઓક્સાઇડ, ગ્રાફીન, નેનોટ્યુબ અને ફુલેરીન) નો ઉપયોગ દર્શાવ્યો છે. સંશોધનમાં સોડિયમ-આયન બેટરી માટે પોલિમર સહિત એનોડ સામગ્રીના વિકાસ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવામાં આવ્યું છે, કારણ કે તેમની વૈવિધ્યતા અને પર્યાવરણીય મિત્રતા છે. રિચાર્જેબલ પોલિમર બેટરીના ક્ષેત્રમાં સંશોધન રસ નિઃશંકપણે વધશે. અનન્ય માળખાં અને ગુણધર્મો ધરાવતી નવીન પોલિમર ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી પર્યાવરણને અનુકૂળ ઊર્જા સંગ્રહ તકનીકો માટે માર્ગ મોકળો કરે તેવી શક્યતા છે. જોકે સોડિયમ-આયન બેટરીમાં ઉપયોગ માટે વિવિધ પોલિમર ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીની શોધ કરવામાં આવી છે, આ ક્ષેત્ર હજુ પણ વિકાસના પ્રારંભિક તબક્કામાં છે. સોડિયમ-આયન બેટરી માટે, વિવિધ માળખાકીય રૂપરેખાંકનો સાથે વધુ પોલિમર સામગ્રીની શોધ કરવાની જરૂર છે. પોલિમર ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીમાં સોડિયમ આયનોના સંગ્રહ પદ્ધતિના અમારા વર્તમાન જ્ઞાનના આધારે, એવું અનુમાન કરી શકાય છે કે સંયોજિત પ્રણાલીમાં કાર્બોનિલ જૂથો, મુક્ત રેડિકલ અને હેટરોએટોમ્સ સોડિયમ આયનો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા માટે સક્રિય સ્થળો તરીકે સેવા આપી શકે છે. તેથી, આ સક્રિય સ્થળોની ઉચ્ચ ઘનતાવાળા નવા પોલિમર વિકસાવવા ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે. જેલ પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (GPE) એ એક વૈકલ્પિક તકનીક છે જે બેટરી વિશ્વસનીયતા, આયન વાહકતા, કોઈ લિકેજ, ઉચ્ચ સુગમતા અને સારા પ્રદર્શનમાં સુધારો કરે છે.
પોલિમર મેટ્રિસિસમાં PVA અને પોલિઇથિલિન ઓક્સાઇડ (PEO)13 જેવી સામગ્રીનો સમાવેશ થાય છે. જેલ પારગમ્ય પોલિમર (GPE) પોલિમર મેટ્રિક્સમાં પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટને સ્થિર કરે છે, જે વાણિજ્યિક વિભાજકોની તુલનામાં લિકેજનું જોખમ ઘટાડે છે14. PVA એક કૃત્રિમ બાયોડિગ્રેડેબલ પોલિમર છે. તેમાં ઉચ્ચ પરવાનગી છે, તે સસ્તું અને બિન-ઝેરી છે. આ સામગ્રી તેના ફિલ્મ-રચના ગુણધર્મો, રાસાયણિક સ્થિરતા અને સંલગ્નતા માટે જાણીતી છે. તેમાં કાર્યાત્મક (OH) જૂથો અને ઉચ્ચ ક્રોસ-લિંકિંગ સંભવિત ઘનતા15,16,17 પણ છે. મેટ્રિક્સ સ્ફટિકીયતા ઘટાડવા અને સાંકળની સુગમતા વધારવા માટે PVA-આધારિત પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની વાહકતા સુધારવા માટે પોલિમર મિશ્રણ, પ્લાસ્ટિસાઇઝર ઉમેરણ, સંયુક્ત ઉમેરણ અને ઇન સીટુ પોલિમરાઇઝેશન તકનીકોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે18,19,20.
ઔદ્યોગિક ઉપયોગો માટે પોલિમરીક સામગ્રી વિકસાવવા માટે મિશ્રણ એક મહત્વપૂર્ણ પદ્ધતિ છે. પોલિમર મિશ્રણોનો ઉપયોગ ઘણીવાર આ માટે થાય છે: (1) ઔદ્યોગિક ઉપયોગોમાં કુદરતી પોલિમરના પ્રક્રિયા ગુણધર્મોને સુધારવા; (2) બાયોડિગ્રેડેબલ પદાર્થોના રાસાયણિક, ભૌતિક અને યાંત્રિક ગુણધર્મોને સુધારવા; અને (3) ફૂડ પેકેજિંગ ઉદ્યોગમાં નવી સામગ્રીની ઝડપથી બદલાતી માંગને અનુકૂલન કરવા. કોપોલિમરાઇઝેશનથી વિપરીત, પોલિમર મિશ્રણ એ ઓછી કિંમતની પ્રક્રિયા છે જે ઇચ્છિત ગુણધર્મો પ્રાપ્ત કરવા માટે જટિલ રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓને બદલે સરળ ભૌતિક પ્રક્રિયાઓનો ઉપયોગ કરે છે. હોમોપોલિમર બનાવવા માટે, વિવિધ પોલિમર દ્વિધ્રુવીય-દ્વિધ્રુવીય બળો, હાઇડ્રોજન બોન્ડ્સ અથવા ચાર્જ-ટ્રાન્સફર સંકુલ દ્વારા ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી શકે છે22,23. કુદરતી અને કૃત્રિમ પોલિમરમાંથી બનેલા મિશ્રણો ઉત્તમ યાંત્રિક ગુણધર્મો સાથે સારી બાયોસુસંગતતાને જોડી શકે છે, ઓછા ઉત્પાદન ખર્ચે શ્રેષ્ઠ સામગ્રી બનાવી શકે છે24,25. તેથી, કૃત્રિમ અને કુદરતી પોલિમરનું મિશ્રણ કરીને બાયોરિલેવન્ટ પોલિમરીક સામગ્રી બનાવવામાં ખૂબ રસ રહ્યો છે. PVA ને સોડિયમ અલ્જીનેટ (NaAlg), સેલ્યુલોઝ, ચિટોસન અને સ્ટાર્ચ26 સાથે જોડી શકાય છે.
સોડિયમ અલ્જીનેટ એ એક કુદરતી પોલિમર અને એનિઓનિક પોલિસેકરાઇડ છે જે દરિયાઈ ભૂરા શેવાળમાંથી કાઢવામાં આવે છે. સોડિયમ અલ્જીનેટમાં β-(1-4)-લિંક્ડ D-મેન્યુરોનિક એસિડ (M) અને α-(1-4)-લિંક્ડ L-ગુલુરોનિક એસિડ (G) હોય છે જે હોમોપોલિમેરિક સ્વરૂપો (પોલી-M અને પોલી-G) અને હેટરોપોલિમેરિક બ્લોક્સ (MG અથવા GM)27 માં ગોઠવાયેલા હોય છે. M અને G બ્લોક્સની સામગ્રી અને સંબંધિત ગુણોત્તર અલ્જીનેટ28,29 ના રાસાયણિક અને ભૌતિક ગુણધર્મો પર નોંધપાત્ર અસર કરે છે. સોડિયમ અલ્જીનેટનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ અને અભ્યાસ કરવામાં આવે છે કારણ કે તેની બાયોડિગ્રેડેબિલિટી, બાયોસુસંગતતા, ઓછી કિંમત, સારી ફિલ્મ-રચના ગુણધર્મો અને બિન-ઝેરીતા છે. જો કે, અલ્જીનેટ સાંકળમાં મોટી સંખ્યામાં મુક્ત હાઇડ્રોક્સિલ (OH) અને કાર્બોક્સિલેટ (COO) જૂથો અલ્જીનેટને ખૂબ જ હાઇડ્રોફિલિક બનાવે છે. જો કે, અલ્જીનેટ તેની બરડતા અને કઠોરતાને કારણે નબળા યાંત્રિક ગુણધર્મો ધરાવે છે. તેથી, પાણીની સંવેદનશીલતા અને યાંત્રિક ગુણધર્મોને સુધારવા માટે અલ્જીનેટને અન્ય કૃત્રિમ સામગ્રી સાથે જોડી શકાય છે30,31.
નવી ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી ડિઝાઇન કરતા પહેલા, DFT ગણતરીઓનો ઉપયોગ ઘણીવાર નવી સામગ્રીની ફેબ્રિકેશન શક્યતાનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે થાય છે. વધુમાં, વૈજ્ઞાનિકો પ્રાયોગિક પરિણામોની પુષ્ટિ અને આગાહી કરવા, સમય બચાવવા, રાસાયણિક કચરો ઘટાડવા અને ક્રિયાપ્રતિક્રિયા વર્તનની આગાહી કરવા માટે મોલેક્યુલર મોડેલિંગનો ઉપયોગ કરે છે32. મોલેક્યુલર મોડેલિંગ ઘણા ક્ષેત્રોમાં વિજ્ઞાનની એક શક્તિશાળી અને મહત્વપૂર્ણ શાખા બની ગઈ છે, જેમાં સામગ્રી વિજ્ઞાન, નેનોમટીરિયલ્સ, કોમ્પ્યુટેશનલ રસાયણશાસ્ત્ર અને દવા શોધનો સમાવેશ થાય છે33,34. મોડેલિંગ પ્રોગ્રામનો ઉપયોગ કરીને, વૈજ્ઞાનિકો સીધા જ મોલેક્યુલર ડેટા મેળવી શકે છે, જેમાં ઊર્જા (રચનાની ગરમી, આયનીકરણ સંભવિતતા, સક્રિયકરણ ઊર્જા, વગેરે) અને ભૂમિતિ (બોન્ડ એંગલ, બોન્ડ લંબાઈ અને ટોર્સિયન એંગલ)35નો સમાવેશ થાય છે. વધુમાં, ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો (ચાર્જ, HOMO અને LUMO બેન્ડ ગેપ ઊર્જા, ઇલેક્ટ્રોન એફિનિટી), સ્પેક્ટ્રલ ગુણધર્મો (લાક્ષણિક કંપન સ્થિતિઓ અને તીવ્રતા જેમ કે FTIR સ્પેક્ટ્રા), અને બલ્ક ગુણધર્મો (વોલ્યુમ, પ્રસરણ, સ્નિગ્ધતા, મોડ્યુલસ, વગેરે)36 ની ગણતરી કરી શકાય છે.
LiNiPO4 તેની ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતા (લગભગ 5.1 V નો કાર્યકારી વોલ્ટેજ) ને કારણે લિથિયમ-આયન બેટરી પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી સાથે સ્પર્ધા કરવામાં સંભવિત ફાયદા દર્શાવે છે. ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ ક્ષેત્રમાં LiNiPO4 ના ફાયદાનો સંપૂર્ણ ઉપયોગ કરવા માટે, કાર્યકારી વોલ્ટેજ ઘટાડવાની જરૂર છે કારણ કે હાલમાં વિકસિત ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ફક્ત 4.8 V થી નીચેના વોલ્ટેજ પર પ્રમાણમાં સ્થિર રહી શકે છે. ઝાંગ અને અન્ય લોકોએ LiNiPO4 ના Ni સાઇટમાં તમામ 3d, 4d અને 5d સંક્રમણ ધાતુઓના ડોપિંગની તપાસ કરી, ઉત્તમ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રદર્શન સાથે ડોપિંગ પેટર્ન પસંદ કર્યા, અને તેના ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રદર્શનની સંબંધિત સ્થિરતા જાળવી રાખીને LiNiPO4 ના કાર્યકારી વોલ્ટેજને સમાયોજિત કર્યા. તેઓએ મેળવેલા સૌથી ઓછા કાર્યકારી વોલ્ટેજ Ti, Nb અને Ta-ડોપેડ LiNiPO4 માટે અનુક્રમે 4.21, 3.76 અને 3.5037 હતા.
તેથી, આ અભ્યાસનો ઉદ્દેશ રિચાર્જેબલ આયન-આયન બેટરીમાં તેના ઉપયોગ માટે ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ગણતરીઓનો ઉપયોગ કરીને PVA/NaAlg સિસ્ટમના ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો, QSAR વર્ણનકર્તાઓ અને થર્મલ ગુણધર્મો પર ગ્લિસરોલની પ્લાસ્ટિસાઇઝર તરીકેની અસરની સૈદ્ધાંતિક તપાસ કરવાનો છે. PVA/NaAlg મોડેલ અને ગ્લિસરોલ વચ્ચેના પરમાણુ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનું વિશ્લેષણ બેડરના ક્વોન્ટમ અણુ સિદ્ધાંત (QTAIM) નો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું.
PVA ની NaAlg સાથે અને પછી ગ્લિસરોલ સાથેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનું પ્રતિનિધિત્વ કરતું એક પરમાણુ મોડેલ DFT નો ઉપયોગ કરીને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવ્યું હતું. આ મોડેલની ગણતરી સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી વિભાગ, નેશનલ રિસર્ચ સેન્ટર, કૈરો, ઇજિપ્ત ખાતે ગૌસીયન 0938 સોફ્ટવેરનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવી હતી. મોડેલોને B3LYP/6-311G(d, p) સ્તર39,40,41,42 પર DFT નો ઉપયોગ કરીને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવ્યા હતા. અભ્યાસ કરાયેલ મોડેલો વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ચકાસવા માટે, સિદ્ધાંતના સમાન સ્તરે કરવામાં આવેલા આવર્તન અભ્યાસો ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ ભૂમિતિની સ્થિરતા દર્શાવે છે. બધી મૂલ્યાંકન કરાયેલ ફ્રીક્વન્સીઝમાં નકારાત્મક ફ્રીક્વન્સીઝની ગેરહાજરી સંભવિત ઊર્જા સપાટી પર સાચા હકારાત્મક લઘુત્તમમાં અનુમાનિત માળખાને પ્રકાશિત કરે છે. TDM, HOMO/LUMO બેન્ડ ગેપ ઊર્જા અને MESP જેવા ભૌતિક પરિમાણોની ગણતરી સિદ્ધાંતના સમાન ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ સ્તરે કરવામાં આવી હતી. વધુમાં, કોષ્ટક 1 માં આપેલા સૂત્રોનો ઉપયોગ કરીને રચનાની અંતિમ ગરમી, મુક્ત ઊર્જા, એન્ટ્રોપી, એન્થાલ્પી અને ગરમી ક્ષમતા જેવા કેટલાક થર્મલ પરિમાણોની ગણતરી કરવામાં આવી હતી. અભ્યાસ કરાયેલા મોડેલોને પરમાણુઓમાં પરમાણુઓના ક્વોન્ટમ સિદ્ધાંત (QTAIM) વિશ્લેષણને આધિન કરવામાં આવ્યા હતા જેથી અભ્યાસ કરાયેલ માળખાઓની સપાટી પર થતી ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓને ઓળખી શકાય. આ ગણતરીઓ ગૌસીયન 09 સોફ્ટવેર કોડમાં "આઉટપુટ=wfn" આદેશનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવી હતી અને પછી એવોગાડ્રો સોફ્ટવેર કોડ43 નો ઉપયોગ કરીને વિઝ્યુઅલાઈઝ કરવામાં આવી હતી.
જ્યાં E એ આંતરિક ઊર્જા છે, P એ દબાણ છે, V એ વોલ્યુમ છે, Q એ સિસ્ટમ અને તેના પર્યાવરણ વચ્ચે ગરમીનું વિનિમય છે, T એ તાપમાન છે, ΔH એ એન્થાલ્પી પરિવર્તન છે, ΔG એ મુક્ત ઊર્જા પરિવર્તન છે, ΔS એ એન્ટ્રોપી પરિવર્તન છે, a અને b એ કંપનશીલ પરિમાણો છે, q એ અણુ ચાર્જ છે, અને C એ અણુ ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા છે44,45. અંતે, સમાન માળખાંને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવ્યા હતા અને ઇજિપ્તના કૈરોમાં નેશનલ રિસર્ચ સેન્ટરના સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી વિભાગમાં SCIGRESS સોફ્ટવેર કોડ46 નો ઉપયોગ કરીને PM6 સ્તરે QSAR પરિમાણોની ગણતરી કરવામાં આવી હતી.
અમારા અગાઉના કાર્ય47 માં, અમે ત્રણ PVA એકમો અને બે NaAlg એકમોની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનું વર્ણન કરતા સૌથી સંભવિત મોડેલનું મૂલ્યાંકન કર્યું હતું, જેમાં ગ્લિસરોલ પ્લાસ્ટિસાઇઝર તરીકે કાર્ય કરે છે. ઉપર જણાવ્યા મુજબ, PVA અને NaAlg ની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા માટે બે શક્યતાઓ છે. 3PVA-2Na Alg (કાર્બન નંબર 10 પર આધારિત) અને ટર્મ 1Na Alg-3PVA-મધ્ય 1Na Alg નામના બે મોડેલોમાં ધ્યાનમાં લેવામાં આવેલી અન્ય રચનાઓની તુલનામાં સૌથી નાનું ઊર્જા અંતર મૂલ્ય48 છે. તેથી, PVA/Na Alg મિશ્રણ પોલિમરના સૌથી સંભવિત મોડેલ પર Gly ઉમેરણની અસરની તપાસ બાદની બે રચનાઓનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવી હતી: 3PVA-(C10)2Na Alg (સરળતા માટે 3PVA-2Na Alg તરીકે ઓળખાય છે) અને ટર્મ 1 Na Alg − 3PVA-મધ્ય 1 Na Alg. સાહિત્ય અનુસાર, PVA, NaAlg અને ગ્લિસરોલ હાઇડ્રોક્સિલ કાર્યાત્મક જૂથો વચ્ચે ફક્ત નબળા હાઇડ્રોજન બોન્ડ બનાવી શકે છે. PVA ટ્રીમર અને NaAlg અને ગ્લિસરોલ ડાયમર બંનેમાં ઘણા OH જૂથો હોવાથી, OH જૂથોમાંથી એક દ્વારા સંપર્ક સાકાર કરી શકાય છે. આકૃતિ 1 મોડેલ ગ્લિસરોલ પરમાણુ અને મોડેલ પરમાણુ 3PVA-2Na Alg વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દર્શાવે છે, અને આકૃતિ 2 મોડેલ પરમાણુ ટર્મ 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg અને ગ્લિસરોલની વિવિધ સાંદ્રતા વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનું નિર્માણ કરેલ મોડેલ દર્શાવે છે.
ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ સ્ટ્રક્ચર્સ: (a) Gly અને 3PVA − 2Na Alg (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, અને (f) 5 Gly સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે.
ટર્મ 1Na Alg- 3PVA - મધ્ય 1Na Alg ની ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ રચનાઓ (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, અને (f) 6 Gly સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે.
કોઈપણ ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીની પ્રતિક્રિયાશીલતાનો અભ્યાસ કરતી વખતે ઇલેક્ટ્રોન બેન્ડ ગેપ ઊર્જા ધ્યાનમાં લેવા માટે એક મહત્વપૂર્ણ પરિમાણ છે. કારણ કે તે જ્યારે સામગ્રી બાહ્ય ફેરફારોને આધિન હોય છે ત્યારે ઇલેક્ટ્રોનના વર્તનનું વર્ણન કરે છે. તેથી, અભ્યાસ કરાયેલ બધી રચનાઓ માટે HOMO/LUMO ની ઇલેક્ટ્રોન બેન્ડ ગેપ ઊર્જાનો અંદાજ કાઢવો જરૂરી છે. કોષ્ટક 2 ગ્લિસરોલના ઉમેરાને કારણે 3PVA-(C10)2Na Alg અને ટર્મ 1Na Alg − 3PVA- મધ્ય 1Na Alg ની HOMO/LUMO ઊર્જામાં થયેલા ફેરફારો દર્શાવે છે. ref47 મુજબ, 3PVA-(C10)2Na Alg નું Eg મૂલ્ય 0.2908 eV છે, જ્યારે બીજી ક્રિયાપ્રતિક્રિયા (એટલે ​​કે, ટર્મ 1Na Alg − 3PVA- મધ્ય 1Na Alg) ની સંભાવનાને પ્રતિબિંબિત કરતી રચનાનું Eg મૂલ્ય 0.5706 eV છે.
જોકે, એવું જાણવા મળ્યું કે ગ્લિસરોલ ઉમેરવાથી 3PVA-(C10)2Na Alg ના Eg મૂલ્યમાં થોડો ફેરફાર થયો. જ્યારે 3PVA-(C10)2NaAlg એ 1, 2, 3, 4 અને 5 ગ્લિસરોલ એકમો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી, ત્યારે તેના Eg મૂલ્યો અનુક્રમે 0.302, 0.299, 0.308, 0.289 અને 0.281 eV બન્યા. જોકે, એક મૂલ્યવાન સમજ છે કે 3 ગ્લિસરોલ એકમો ઉમેર્યા પછી, Eg મૂલ્ય 3PVA-(C10)2Na Alg કરતા નાનું થઈ ગયું. પાંચ ગ્લિસરોલ એકમો સાથે 3PVA-(C10)2Na Alg ની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનું પ્રતિનિધિત્વ કરતું મોડેલ સૌથી સંભવિત ક્રિયાપ્રતિક્રિયા મોડેલ છે. આનો અર્થ એ છે કે જેમ જેમ ગ્લિસરોલ એકમોની સંખ્યા વધે છે, તેમ તેમ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની સંભાવના પણ વધે છે.
દરમિયાન, ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની બીજી સંભાવના માટે, ટર્મ 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 1Gly, ટર્મ 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 2Gly, ટર્મ 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 3Gly, ટર્મ 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 4Gly, ટર્મ 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 5Gly અને ટર્મ 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly નું પ્રતિનિધિત્વ કરતા મોડેલ પરમાણુઓની HOMO/LUMO ઉર્જા અનુક્રમે 1.343, 1.34 7, 0.976, 0.607, 0.348 અને 0.496 eV બને છે. કોષ્ટક 2 બધી રચનાઓ માટે ગણતરી કરેલ HOMO/LUMO બેન્ડ ગેપ ઉર્જા દર્શાવે છે. વધુમાં, પ્રથમ જૂથની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સંભાવનાઓનું સમાન વર્તન અહીં પુનરાવર્તિત થાય છે.
સોલિડ સ્ટેટ ફિઝિક્સમાં બેન્ડ થિયરી જણાવે છે કે ઇલેક્ટ્રોડ મટિરિયલનો બેન્ડ ગેપ ઘટવાથી, મટિરિયલની ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા વધે છે. સોડિયમ-આયન કેથોડ મટિરિયલ્સના બેન્ડ ગેપને ઘટાડવા માટે ડોપિંગ એક સામાન્ય પદ્ધતિ છે. જિયાંગ અને અન્ય લોકોએ β-NaMnO2 સ્તરવાળી મટિરિયલ્સની ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા સુધારવા માટે Cu ડોપિંગનો ઉપયોગ કર્યો. DFT ગણતરીઓનો ઉપયોગ કરીને, તેઓએ શોધી કાઢ્યું કે ડોપિંગથી મટિરિયલનો બેન્ડ ગેપ 0.7 eV થી ઘટાડીને 0.3 eV થયો છે. આ સૂચવે છે કે Cu ડોપિંગ β-NaMnO2 મટિરિયલની ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા સુધારે છે.
MESP ને પરમાણુ ચાર્જ વિતરણ અને એક જ ધન ચાર્જ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઊર્જા તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. MESP ને રાસાયણિક ગુણધર્મો અને પ્રતિક્રિયાશીલતાને સમજવા અને અર્થઘટન કરવા માટે એક અસરકારક સાધન માનવામાં આવે છે. MESP નો ઉપયોગ પોલિમરીક પદાર્થો વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની પદ્ધતિઓને સમજવા માટે થઈ શકે છે. MESP અભ્યાસ હેઠળના સંયોજનમાં ચાર્જ વિતરણનું વર્ણન કરે છે. વધુમાં, MESP અભ્યાસ હેઠળની સામગ્રીમાં સક્રિય સ્થળો વિશે માહિતી પ્રદાન કરે છે32. આકૃતિ 3 માં 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly, અને 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly ના MESP પ્લોટ્સ દર્શાવવામાં આવ્યા છે જે સિદ્ધાંતના B3LYP/6-311G(d, p) સ્તરે અનુમાનિત છે.
(a) Gly અને 3PVA − 2Na Alg માટે (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, અને (f) 5 Gly સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા B3LYP/6-311 g(d, p) સાથે ગણતરી કરેલ MESP રૂપરેખા.
દરમિયાન, આકૃતિ 4 માં ટર્મ 1Na Alg- 3PVA – મધ્ય 1Na Alg, ટર્મ 1Na Alg-3PVA – મધ્ય 1Na Alg- 1Gly, ટર્મ 1Na Alg-3PVA – મધ્ય 1Na Alg − 2Gly, ટર્મ 1Na Alg-3PVA – મધ્ય 1Na Alg − 3gly, ટર્મ 1Na Alg-3PVA – મધ્ય 1Na Alg − 4Gly, ટર્મ 1Na Alg- 3PVA – મધ્ય 1Na Alg- 5gly અને ટર્મ 1Na Alg-3PVA – મધ્ય 1Na Alg − 6Gly માટે MESP ના ગણતરી કરેલ પરિણામો દર્શાવે છે. ગણતરી કરેલ MESP ને સમોચ્ચ વર્તન તરીકે રજૂ કરવામાં આવે છે. સમોચ્ચ રેખાઓ વિવિધ રંગો દ્વારા રજૂ કરવામાં આવે છે. દરેક રંગ એક અલગ ઇલેક્ટ્રોનેગેટિવિટી મૂલ્ય દર્શાવે છે. લાલ રંગ અત્યંત ઇલેક્ટ્રોનેગેટિવ અથવા પ્રતિક્રિયાશીલ સ્થળો સૂચવે છે. દરમિયાન, પીળો રંગ માળખામાં તટસ્થ સ્થળો 49, 50, 51 દર્શાવે છે. MESP પરિણામો દર્શાવે છે કે અભ્યાસ કરાયેલા મોડેલોની આસપાસ લાલ રંગના વધારા સાથે 3PVA-(C10)2Na Alg ની પ્રતિક્રિયાશીલતામાં વધારો થયો છે. દરમિયાન, 1Na Alg-3PVA - મધ્ય 1Na Alg મોડેલ પરમાણુના MESP નકશામાં લાલ રંગની તીવ્રતા વિવિધ ગ્લિસરોલ સામગ્રી સાથેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે ઘટે છે. પ્રસ્તાવિત માળખાની આસપાસ લાલ રંગના વિતરણમાં ફેરફાર પ્રતિક્રિયાશીલતાને પ્રતિબિંબિત કરે છે, જ્યારે તીવ્રતામાં વધારો ગ્લિસરોલ સામગ્રીમાં વધારાને કારણે 3PVA-(C10)2Na Alg મોડેલ પરમાણુની ઇલેક્ટ્રોનેગેટિવિટીમાં વધારો પુષ્ટિ કરે છે.
B3LYP/6-311 g(d, p) એ 1Na Alg-3PVA-મધ્યમ 1Na Alg ની ગણતરી કરેલ MESP મુદત (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, અને (f) 6 Gly સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે.
બધી પ્રસ્તાવિત રચનાઓમાં તેમના થર્મલ પરિમાણો છે જેમ કે એન્થાલ્પી, એન્ટ્રોપી, ગરમી ક્ષમતા, મુક્ત ઊર્જા અને રચનાની ગરમી 200 K થી 500 K સુધીના વિવિધ તાપમાને ગણતરી કરવામાં આવે છે. ભૌતિક પ્રણાલીઓના વર્તનનું વર્ણન કરવા માટે, તેમના ઇલેક્ટ્રોનિક વર્તનનો અભ્યાસ કરવા ઉપરાંત, એકબીજા સાથેની તેમની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે તાપમાનના કાર્ય તરીકે તેમના થર્મલ વર્તનનો અભ્યાસ કરવો પણ જરૂરી છે, જેની ગણતરી કોષ્ટક 1 માં આપેલા સમીકરણોનો ઉપયોગ કરીને કરી શકાય છે. આ થર્મલ પરિમાણોનો અભ્યાસ વિવિધ તાપમાને આવી ભૌતિક પ્રણાલીઓની પ્રતિભાવશીલતા અને સ્થિરતાનો મહત્વપૂર્ણ સૂચક માનવામાં આવે છે.
PVA ટ્રીમરની એન્થાલ્પીની વાત કરીએ તો, તે પહેલા NaAlg ડાયમર સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે, પછી કાર્બન અણુ #10 સાથે જોડાયેલા OH જૂથ દ્વારા અને અંતે ગ્લિસરોલ સાથે. એન્થાલ્પી એ થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમમાં ઊર્જાનું માપ છે. એન્થાલ્પી એ સિસ્ટમમાં કુલ ગરમી જેટલી છે, જે સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જા વત્તા તેના જથ્થા અને દબાણના ગુણાંક જેટલી છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, એન્થાલ્પી દર્શાવે છે કે પદાર્થમાં કેટલી ગરમી અને કાર્ય ઉમેરવામાં આવે છે અથવા દૂર કરવામાં આવે છે52.
આકૃતિ 5 માં 3PVA-(C10)2Na Alg ની વિવિધ ગ્લિસરોલ સાંદ્રતા સાથે પ્રતિક્રિયા દરમિયાન એન્થાલ્પીમાં થતા ફેરફારો દર્શાવવામાં આવ્યા છે. સંક્ષેપ A0, A1, A2, A3, A4, અને A5 અનુક્રમે મોડેલ પરમાણુઓ 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, અને 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly દર્શાવે છે. આકૃતિ 5a દર્શાવે છે કે વધતા તાપમાન અને ગ્લિસરોલ સામગ્રી સાથે એન્થાલ્પી વધે છે. 200 K પર 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (એટલે ​​કે, A5) નું પ્રતિનિધિત્વ કરતી રચનાની એન્થાલ્પી 27.966 cal/mol છે, જ્યારે 200 K પર 3PVA-2NaAlg નું પ્રતિનિધિત્વ કરતી રચનાની એન્થાલ્પી 13.490 cal/mol છે. છેલ્લે, એન્થાલ્પી ધન હોવાથી, આ પ્રતિક્રિયા એન્ડોથર્મિક છે.
એન્ટ્રોપીને બંધ થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમમાં અનુપલબ્ધ ઊર્જાના માપ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે અને ઘણીવાર તેને સિસ્ટમના વિકારના માપ તરીકે ગણવામાં આવે છે. આકૃતિ 5b તાપમાન સાથે 3PVA-(C10)2NaAlg ના એન્ટ્રોપીમાં ફેરફાર અને તે વિવિધ ગ્લિસરોલ એકમો સાથે કેવી રીતે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે તે દર્શાવે છે. ગ્રાફ બતાવે છે કે તાપમાન 200 K થી 500 K સુધી વધતાં એન્ટ્રોપી રેખીય રીતે બદલાય છે. આકૃતિ 5b સ્પષ્ટપણે દર્શાવે છે કે 3PVA-(C10)2Na Alg મોડેલની એન્ટ્રોપી 200 K પર 200 cal/K/mol તરફ વલણ ધરાવે છે કારણ કે 3PVA-(C10)2Na Alg મોડેલ ઓછી જાળી વિકૃતિ દર્શાવે છે. જેમ જેમ તાપમાન વધે છે, 3PVA-(C10)2Na Alg મોડેલ અવ્યવસ્થિત બને છે અને વધતા તાપમાન સાથે એન્ટ્રોપીમાં વધારો સમજાવે છે. વધુમાં, એ સ્પષ્ટ છે કે 3PVA-C10 2Na Alg- 5 Gly ની રચનામાં સૌથી વધુ એન્ટ્રોપી મૂલ્ય છે.
આકૃતિ 5c માં પણ આ જ વર્તન જોવા મળે છે, જે તાપમાન સાથે ગરમી ક્ષમતામાં ફેરફાર દર્શાવે છે. ગરમી ક્ષમતા એ આપેલ પદાર્થના તાપમાનમાં 1 °C47 ફેરફાર કરવા માટે જરૂરી ગરમીનું પ્રમાણ છે. આકૃતિ 5c 1, 2, 3, 4 અને 5 ગ્લિસરોલ એકમો સાથેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે મોડેલ પરમાણુ 3PVA-(C10)2NaAlg ની ગરમી ક્ષમતામાં ફેરફાર દર્શાવે છે. આકૃતિ દર્શાવે છે કે મોડેલ 3PVA-(C10)2NaAlg ની ગરમી ક્ષમતા તાપમાન સાથે રેખીય રીતે વધે છે. વધતા તાપમાન સાથે ગરમી ક્ષમતામાં જોવા મળેલો વધારો ફોનોન થર્મલ સ્પંદનોને આભારી છે. વધુમાં, એવા પુરાવા છે કે ગ્લિસરોલનું પ્રમાણ વધવાથી મોડેલ 3PVA-(C10)2NaAlg ની ગરમી ક્ષમતામાં વધારો થાય છે. વધુમાં, રચના દર્શાવે છે કે 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly અન્ય રચનાઓની તુલનામાં સૌથી વધુ ગરમી ક્ષમતા મૂલ્ય ધરાવે છે.
અભ્યાસ કરાયેલ રચનાઓ માટે મુક્ત ઊર્જા અને રચનાની અંતિમ ગરમી જેવા અન્ય પરિમાણોની ગણતરી કરવામાં આવી હતી અને તે અનુક્રમે આકૃતિ 5d અને e માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. રચનાની અંતિમ ગરમી એ સતત દબાણ હેઠળ તેના ઘટક તત્વોમાંથી શુદ્ધ પદાર્થની રચના દરમિયાન મુક્ત થતી અથવા શોષાયેલી ગરમી છે. મુક્ત ઊર્જાને ઊર્જા જેવી જ મિલકત તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય છે, એટલે કે, તેનું મૂલ્ય દરેક થર્મોડાયનેમિક અવસ્થામાં પદાર્થની માત્રા પર આધાર રાખે છે. 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly ની રચનાની મુક્ત ઊર્જા અને ગરમી સૌથી ઓછી હતી અને અનુક્રમે -1318.338 અને -1628.154 kcal/mol હતી. તેનાથી વિપરીત, 3PVA-(C10)2NaAlg નું પ્રતિનિધિત્વ કરતી રચનામાં અન્ય રચનાઓની તુલનામાં અનુક્રમે -690.340 અને -830.673 kcal/mol ની સૌથી વધુ મુક્ત ઊર્જા અને રચનાની ગરમી મૂલ્યો છે. આકૃતિ 5 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ગ્લિસરોલ સાથેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે વિવિધ થર્મલ ગુણધર્મો બદલાય છે. ગિબ્સ મુક્ત ઊર્જા નકારાત્મક છે, જે સૂચવે છે કે પ્રસ્તાવિત માળખું સ્થિર છે.
PM6 એ શુદ્ધ 3PVA- (C10) 2Na Alg (મોડેલ A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (મોડેલ A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (મોડેલ A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (મોડેલ A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (મોડેલ A4), અને 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (મોડેલ A5) ના થર્મલ પરિમાણોની ગણતરી કરી, જ્યાં (a) એ એન્થાલ્પી, (b) એન્ટ્રોપી, (c) ગરમી ક્ષમતા, (d) મુક્ત ઊર્જા અને (e) રચનાની ગરમી છે.
બીજી બાજુ, PVA ટ્રીમર અને ડાયમેરિક NaAlg વચ્ચેનો બીજો ક્રિયાપ્રતિક્રિયા મોડ PVA ટ્રીમર માળખામાં ટર્મિનલ અને મધ્ય OH જૂથોમાં જોવા મળે છે. પહેલા જૂથની જેમ, થર્મલ પરિમાણોની ગણતરી સમાન સ્તરના સિદ્ધાંતનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવી હતી. આકૃતિ 6a-e એન્થાલ્પી, એન્ટ્રોપી, ગરમી ક્ષમતા, મુક્ત ઊર્જા અને અંતે, રચનાની ગરમીના ભિન્નતા દર્શાવે છે. આકૃતિ 6a-c દર્શાવે છે કે ટર્મ 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg ની એન્થાલ્પી, એન્ટ્રોપી અને ગરમી ક્ષમતા 1, 2, 3, 4, 5 અને 6 ગ્લિસરોલ એકમો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતી વખતે પ્રથમ જૂથ જેવી જ વર્તણૂક દર્શાવે છે. વધુમાં, વધતા તાપમાન સાથે તેમના મૂલ્યો ધીમે ધીમે વધે છે. વધુમાં, પ્રસ્તાવિત ટર્મ 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg મોડેલમાં, ગ્લિસરોલ સામગ્રીમાં વધારા સાથે એન્થાલ્પી, એન્ટ્રોપી અને ગરમી ક્ષમતા મૂલ્યોમાં વધારો થયો છે. સંક્ષેપ B0, B1, B2, B3, B4, B5 અને B6 અનુક્રમે નીચેની રચનાઓનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે: ટર્મ 1 Na Alg − 3PVA- મિડ 1 Na Alg, ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મિડ 1 Na Alg − 1 Gly, ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મિડ 1 Na Alg − 2gly, ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મિડ 1 Na Alg − 3gly, ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મિડ 1 Na Alg − 4 Gly, ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મિડ 1 Na Alg − 5 Gly અને ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મિડ 1 Na Alg − 6 Gly. આકૃતિ 6a–c માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ગ્લિસરોલ એકમોની સંખ્યા 1 થી 6 સુધી વધે છે તેમ એન્થાલ્પી, એન્ટ્રોપી અને ગરમી ક્ષમતાના મૂલ્યો વધે છે તે સ્પષ્ટ છે.
PM6 એ શુદ્ધ ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મધ્ય 1 Na Alg (મોડેલ B0), ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મધ્ય 1 Na Alg – 1 Gly (મોડેલ B1), ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મધ્ય 1 Na Alg – 2 Gly (મોડેલ B2), ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મધ્ય 1 Na Alg – 3 Gly (મોડેલ B3), ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મધ્ય 1 Na Alg – 4 Gly (મોડેલ B4), ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મધ્ય 1 Na Alg – 5 Gly (મોડેલ B5), અને ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મધ્ય 1 Na Alg – 6 Gly (મોડેલ B6) ના થર્મલ પરિમાણોની ગણતરી કરી, જેમાં (a) એન્થાલ્પી, (b) એન્ટ્રોપી, (c) ગરમી ક્ષમતા, (d) મુક્ત ઊર્જા અને (e) રચનાની ગરમીનો સમાવેશ થાય છે.
વધુમાં, ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મિડ 1 Na Alg- 6 Gly નું પ્રતિનિધિત્વ કરતી રચનામાં અન્ય રચનાઓની તુલનામાં એન્થાલ્પી, એન્ટ્રોપી અને ગરમી ક્ષમતાના સૌથી વધુ મૂલ્યો છે. તેમાંથી, તેમના મૂલ્યો ટર્મ 1 Na Alg − 3PVA- મિડ 1 Na Alg માં 16.703 cal/mol, 257.990 cal/mol/K અને 131.323 kcal/mol થી વધીને ટર્મ 1 Na Alg − 3PVA- મિડ 1 Na Alg − 6 Gly માં અનુક્રમે 33.223 cal/mol, 420.038 cal/mol/K અને 275.923 kcal/mol થયા છે.
જોકે, આકૃતિઓ 6d અને e મુક્ત ઊર્જા અને રચનાની અંતિમ ગરમી (HF) ની તાપમાન અવલંબન દર્શાવે છે. HF ને એન્થાલ્પી ફેરફાર તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય છે જે કુદરતી અને પ્રમાણભૂત પરિસ્થિતિઓમાં તેના તત્વોમાંથી પદાર્થનો એક છછુંદર બને છે ત્યારે થાય છે. આકૃતિ પરથી સ્પષ્ટ થાય છે કે અભ્યાસ કરાયેલ તમામ રચનાઓની મુક્ત ઊર્જા અને રચનાની અંતિમ ગરમી તાપમાન પર રેખીય અવલંબન દર્શાવે છે, એટલે કે, તેઓ વધતા તાપમાન સાથે ધીમે ધીમે અને રેખીય રીતે વધે છે. વધુમાં, આકૃતિએ એ પણ પુષ્ટિ આપી છે કે શબ્દ 1 Na Alg − 3PVA- મધ્ય 1 Na Alg − 6 Gly નું પ્રતિનિધિત્વ કરતી રચનામાં સૌથી ઓછી મુક્ત ઊર્જા અને સૌથી ઓછી HF છે. બંને પરિમાણો 1 Na Alg − 3PVA- મધ્ય 1 Na Alg − 6 Gly શબ્દમાં -758.337 થી -899.741 K cal/mol સુધી ઘટીને -1,476.591 અને -1,828.523 K cal/mol થયા છે. પરિણામો પરથી સ્પષ્ટ થાય છે કે ગ્લિસરોલ એકમોના વધારા સાથે HF ઘટે છે. આનો અર્થ એ થાય કે કાર્યાત્મક જૂથોના વધારાને કારણે, પ્રતિક્રિયાશીલતા પણ વધે છે અને તેથી પ્રતિક્રિયા હાથ ધરવા માટે ઓછી ઊર્જાની જરૂર પડે છે. આ પુષ્ટિ કરે છે કે પ્લાસ્ટિકાઇઝ્ડ PVA/NaAlg નો ઉપયોગ બેટરીમાં તેની ઉચ્ચ પ્રતિક્રિયાશીલતાને કારણે થઈ શકે છે.
સામાન્ય રીતે, તાપમાનની અસરોને બે પ્રકારમાં વહેંચવામાં આવે છે: નીચા-તાપમાનની અસરો અને ઉચ્ચ-તાપમાનની અસરો. નીચા તાપમાનની અસરો મુખ્યત્વે ગ્રીનલેન્ડ, કેનેડા અને રશિયા જેવા ઉચ્ચ અક્ષાંશો પર સ્થિત દેશોમાં અનુભવાય છે. શિયાળામાં, આ સ્થળોએ બહારનું હવાનું તાપમાન શૂન્ય ડિગ્રી સેલ્સિયસથી ઘણું નીચે હોય છે. લિથિયમ-આયન બેટરીના જીવનકાળ અને પ્રદર્શન નીચા તાપમાનથી પ્રભાવિત થઈ શકે છે, ખાસ કરીને પ્લગ-ઇન હાઇબ્રિડ ઇલેક્ટ્રિક વાહનો, શુદ્ધ ઇલેક્ટ્રિક વાહનો અને હાઇબ્રિડ ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાં ઉપયોગમાં લેવાતા. અવકાશ યાત્રા એ બીજું ઠંડુ વાતાવરણ છે જેને લિથિયમ-આયન બેટરીની જરૂર પડે છે. ઉદાહરણ તરીકે, મંગળ પરનું તાપમાન -120 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી ઘટી શકે છે, જે અવકાશયાનમાં લિથિયમ-આયન બેટરીના ઉપયોગ માટે નોંધપાત્ર અવરોધ ઊભો કરે છે. નીચા ઓપરેટિંગ તાપમાન લિથિયમ-આયન બેટરીના ચાર્જ ટ્રાન્સફર દર અને રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા પ્રવૃત્તિમાં ઘટાડો તરફ દોરી શકે છે, જેના પરિણામે ઇલેક્ટ્રોડની અંદર લિથિયમ આયનોના પ્રસરણ દરમાં ઘટાડો થાય છે અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં આયનીય વાહકતામાં ઘટાડો થાય છે. આ અધોગતિના પરિણામે ઉર્જા ક્ષમતા અને શક્તિમાં ઘટાડો થાય છે, અને ક્યારેક કામગીરીમાં પણ ઘટાડો થાય છે53.
ઉચ્ચ તાપમાનની અસર એપ્લિકેશન વાતાવરણની વિશાળ શ્રેણીમાં થાય છે, જેમાં ઉચ્ચ અને નીચા તાપમાન બંને વાતાવરણનો સમાવેશ થાય છે, જ્યારે નીચા તાપમાનની અસર મુખ્યત્વે નીચા તાપમાનના એપ્લિકેશન વાતાવરણ સુધી મર્યાદિત હોય છે. નીચા તાપમાનની અસર મુખ્યત્વે આસપાસના તાપમાન દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, જ્યારે ઉચ્ચ તાપમાનની અસર સામાન્ય રીતે ઓપરેશન દરમિયાન લિથિયમ-આયન બેટરીની અંદરના ઉચ્ચ તાપમાનને વધુ સચોટ રીતે આભારી હોય છે.
લિથિયમ-આયન બેટરીઓ ઉચ્ચ વર્તમાન પરિસ્થિતિઓ (ઝડપી ચાર્જિંગ અને ઝડપી ડિસ્ચાર્જિંગ સહિત) હેઠળ ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે, જેના કારણે આંતરિક તાપમાનમાં વધારો થાય છે. ઊંચા તાપમાનના સંપર્કમાં આવવાથી બેટરીની કામગીરીમાં ઘટાડો પણ થઈ શકે છે, જેમાં ક્ષમતા અને શક્તિનો ઘટાડો પણ શામેલ છે. સામાન્ય રીતે, લિથિયમનું નુકસાન અને ઉચ્ચ તાપમાને સક્રિય પદાર્થોની પુનઃપ્રાપ્તિ ક્ષમતામાં ઘટાડો તરફ દોરી જાય છે, અને શક્તિનું નુકસાન આંતરિક પ્રતિકારમાં વધારો થવાને કારણે થાય છે. જો તાપમાન નિયંત્રણ બહાર જાય છે, તો થર્મલ રનઅવે થાય છે, જે કેટલાક કિસ્સાઓમાં સ્વયંભૂ દહન અથવા વિસ્ફોટ પણ થઈ શકે છે.
QSAR ગણતરીઓ એ એક ગણતરીત્મક અથવા ગાણિતિક મોડેલિંગ પદ્ધતિ છે જેનો ઉપયોગ સંયોજનોની જૈવિક પ્રવૃત્તિ અને માળખાકીય ગુણધર્મો વચ્ચેના સંબંધોને ઓળખવા માટે થાય છે. બધા ડિઝાઇન કરેલા પરમાણુઓને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવ્યા હતા અને કેટલાક QSAR ગુણધર્મોની ગણતરી PM6 સ્તરે કરવામાં આવી હતી. કોષ્ટક 3 ગણતરી કરેલ QSAR વર્ણનકર્તાઓની યાદી આપે છે. આવા વર્ણનકર્તાઓના ઉદાહરણો ચાર્જ, TDM, કુલ ઊર્જા (E), આયનીકરણ સંભવિતતા (IP), લોગ P, અને ધ્રુવીકરણક્ષમતા છે (IP અને લોગ P નક્કી કરવા માટેના સૂત્રો માટે કોષ્ટક 1 જુઓ).
ગણતરીના પરિણામો દર્શાવે છે કે અભ્યાસ કરાયેલી બધી રચનાઓનો કુલ ચાર્જ શૂન્ય છે કારણ કે તે જમીનની સ્થિતિમાં છે. પ્રથમ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સંભાવના માટે, 3PVA-(C10) 2Na Alg માટે ગ્લિસરોલનું TDM 2.788 ડેબાય અને 6.840 ડેબાય હતું, જ્યારે 3PVA-(C10) 2Na Alg એ અનુક્રમે 1, 2, 3, 4 અને 5 એકમો ગ્લિસરોલ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી ત્યારે TDM મૂલ્યો વધારીને 17.990 ડેબાય, 8.848 ડેબાય, 5.874 ડેબાય, 7.568 ડેબાય અને 12.779 ડેબાય કરવામાં આવ્યા હતા. TDM મૂલ્ય જેટલું ઊંચું હશે, પર્યાવરણ સાથે તેની પ્રતિક્રિયાશીલતા એટલી જ ઊંચી હશે.
કુલ ઊર્જા (E) ની ગણતરી પણ કરવામાં આવી હતી, અને ગ્લિસરોલ અને 3PVA-(C10)2 NaAlg ના E મૂલ્યો અનુક્રમે -141.833 eV અને -200092.503 eV હોવાનું જાણવા મળ્યું હતું. દરમિયાન, 3PVA-(C10)2 NaAlg નું પ્રતિનિધિત્વ કરતી રચનાઓ 1, 2, 3, 4 અને 5 ગ્લિસરોલ એકમો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે; E અનુક્રમે -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 અને -1548.031 eV બને છે. ગ્લિસરોલનું પ્રમાણ વધવાથી કુલ ઊર્જામાં ઘટાડો થાય છે અને તેથી પ્રતિક્રિયાશીલતામાં વધારો થાય છે. કુલ ઊર્જા ગણતરીના આધારે, એવું તારણ કાઢવામાં આવ્યું હતું કે મોડેલ પરમાણુ, જે 3PVA-2Na Alg-5 Gly છે, તે અન્ય મોડેલ પરમાણુઓ કરતાં વધુ પ્રતિક્રિયાશીલ છે. આ ઘટના તેમની રચના સાથે સંબંધિત છે. 3PVA-(C10)2NaAlg માં ફક્ત બે -COONa જૂથો છે, જ્યારે અન્ય રચનાઓમાં બે -COONa જૂથો છે પરંતુ તે ઘણા OH જૂથો ધરાવે છે, જેનો અર્થ એ છે કે પર્યાવરણ પ્રત્યે તેમની પ્રતિક્રિયાશીલતા વધે છે.
વધુમાં, આ અભ્યાસમાં બધી રચનાઓની આયનીકરણ ઊર્જા (IE) ધ્યાનમાં લેવામાં આવી છે. અભ્યાસ કરાયેલ મોડેલની પ્રતિક્રિયાશીલતાને માપવા માટે આયનીકરણ ઊર્જા એક મહત્વપૂર્ણ પરિમાણ છે. ઇલેક્ટ્રોનને પરમાણુના એક બિંદુથી અનંત તરફ ખસેડવા માટે જરૂરી ઊર્જાને આયનીકરણ ઊર્જા કહેવામાં આવે છે. તે પરમાણુની આયનીકરણ (એટલે ​​\u200b\u200bપ્રતિક્રિયાશીલતા) ની ડિગ્રી દર્શાવે છે. આયનીકરણ ઊર્જા જેટલી ઊંચી હશે, તેટલી ઓછી પ્રતિક્રિયાશીલતા. 1, 2, 3, 4 અને 5 ગ્લિસરોલ એકમો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા 3PVA-(C10)2NaAlg ના IE પરિણામો અનુક્રમે -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 અને -9.323 eV હતા, જ્યારે ગ્લિસરોલ અને 3PVA-(C10)2NaAlg ના IE અનુક્રમે -5.157 અને -9.341 eV હતા. ગ્લિસરોલ ઉમેરવાથી IP મૂલ્યમાં ઘટાડો થયો હોવાથી, પરમાણુ પ્રતિક્રિયાશીલતામાં વધારો થયો, જે ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઉપકરણોમાં PVA/NaAlg/ગ્લિસરોલ મોડેલ પરમાણુની પ્રયોજ્યતામાં વધારો કરે છે.
કોષ્ટક 3 માં પાંચમું વર્ણનકર્તા લોગ P છે, જે પાર્ટીશન ગુણાંકનો લઘુગણક છે અને તેનો ઉપયોગ અભ્યાસ કરવામાં આવી રહેલ માળખું હાઇડ્રોફિલિક છે કે હાઇડ્રોફોબિક છે તે વર્ણવવા માટે થાય છે. નકારાત્મક લોગ P મૂલ્ય હાઇડ્રોફિલિક પરમાણુ સૂચવે છે, જેનો અર્થ છે કે તે પાણીમાં સરળતાથી ઓગળી જાય છે અને કાર્બનિક દ્રાવકોમાં નબળી રીતે ઓગળી જાય છે. હકારાત્મક મૂલ્ય વિરુદ્ધ પ્રક્રિયા સૂચવે છે.
પ્રાપ્ત પરિણામોના આધારે, એવું નિષ્કર્ષ પર આવી શકે છે કે બધી રચનાઓ હાઇડ્રોફિલિક છે, કારણ કે તેમના લોગ P મૂલ્યો (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly અને 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) અનુક્રમે -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 અને -8.504 છે, જ્યારે ગ્લિસરોલનું લોગ P મૂલ્ય ફક્ત -1.081 છે અને 3PVA-(C10)2Na Alg ફક્ત -3.100 છે. આનો અર્થ એ છે કે અભ્યાસ કરવામાં આવી રહેલી રચનાના ગુણધર્મો બદલાશે કારણ કે પાણીના અણુઓ તેની રચનામાં સમાવિષ્ટ થશે.
છેલ્લે, બધી રચનાઓની ધ્રુવીકરણક્ષમતાઓ પણ અર્ધ-અનુભવિક પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને PM6 સ્તરે ગણતરી કરવામાં આવે છે. અગાઉ નોંધ્યું હતું કે મોટાભાગની સામગ્રીની ધ્રુવીકરણક્ષમતા વિવિધ પરિબળો પર આધાર રાખે છે. સૌથી મહત્વપૂર્ણ પરિબળ એ અભ્યાસ હેઠળની રચનાનું કદ છે. 3PVA અને 2NaAlg (કાર્બન અણુ નંબર 10 દ્વારા ક્રિયાપ્રતિક્રિયા થાય છે) વચ્ચેના પ્રથમ પ્રકારના ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સાથે સંકળાયેલી બધી રચનાઓ માટે, ગ્લિસરોલના ઉમેરા દ્વારા ધ્રુવીકરણક્ષમતામાં સુધારો થાય છે. 1, 2, 3, 4 અને 5 ગ્લિસરોલ એકમો સાથેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓને કારણે ધ્રુવીકરણક્ષમતા 29.690 Å થી વધીને 35.076, 40.665, 45.177, 50.239 અને 54.638 Å થાય છે. આમ, એવું જાણવા મળ્યું કે સૌથી વધુ ધ્રુવીકરણક્ષમતા ધરાવતો મોડેલ પરમાણુ 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly છે, જ્યારે સૌથી ઓછી ધ્રુવીકરણક્ષમતા ધરાવતો મોડેલ પરમાણુ 3PVA-(C10)2NaAlg છે, જે 29.690 Å છે.
QSAR વર્ણનકર્તાઓના મૂલ્યાંકનથી જાણવા મળ્યું કે 3PVA-(C10)2NaAlg −5Gly નું પ્રતિનિધિત્વ કરતી રચના પ્રથમ પ્રસ્તાવિત ક્રિયાપ્રતિક્રિયા માટે સૌથી વધુ પ્રતિક્રિયાશીલ છે.
PVA ટ્રીમર અને NaAlg ડાયમર વચ્ચેના બીજા ઇન્ટરેક્શન મોડ માટે, પરિણામો દર્શાવે છે કે તેમના ચાર્જ પહેલા ઇન્ટરેક્શન માટે અગાઉના વિભાગમાં સૂચવેલા ચાર્જ જેવા જ છે. બધી રચનાઓમાં શૂન્ય ઇલેક્ટ્રોનિક ચાર્જ હોય ​​છે, જેનો અર્થ એ થાય કે તે બધા ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટમાં છે.
કોષ્ટક 4 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ટર્મ 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg ના TDM મૂલ્યો (PM6 સ્તરે ગણતરી કરેલ) 11.581 Debye થી વધીને 15.756, 19.720, 21.756, 22.732, 15.507 અને 15.756 થયા જ્યારે ટર્મ 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg એ 1, 2, 3, 4, 5 અને 6 એકમો ગ્લિસરોલ સાથે પ્રતિક્રિયા આપી. જોકે, ગ્લિસરોલ એકમોની સંખ્યામાં વધારો થતાં કુલ ઊર્જા ઘટે છે, અને જ્યારે ટર્મ 1 Na Alg − 3PVA- મધ્ય 1 Na Alg ચોક્કસ સંખ્યામાં ગ્લિસરોલ એકમો (1 થી 6) સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે, ત્યારે કુલ ઊર્જા અનુક્રમે − 996.985, − 1129.013, − 1267.211, − 1321.775, − 1418.964 અને − 1637.432 eV થાય છે.
બીજી ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સંભાવના માટે, IP, Log P અને ધ્રુવીકરણક્ષમતા પણ સિદ્ધાંતના PM6 સ્તરે ગણવામાં આવે છે. તેથી, તેઓએ પરમાણુ પ્રતિક્રિયાશીલતાના ત્રણ સૌથી શક્તિશાળી વર્ણનકર્તાઓને ધ્યાનમાં લીધા. 1, 2, 3, 4, 5 અને 6 ગ્લિસરોલ એકમો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg નું પ્રતિનિધિત્વ કરતી રચનાઓ માટે, IP −9.385 eV થી −8.946, −8.848, −8.430, −9.537, −7.997 અને −8.900 eV સુધી વધે છે. જો કે, ગ્લિસરોલ સાથે End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg ના પ્લાસ્ટિસાઇઝેશનને કારણે ગણતરી કરેલ Log P મૂલ્ય ઓછું હતું. જેમ જેમ ગ્લિસરોલનું પ્રમાણ 1 થી 6 સુધી વધે છે, તેમ તેમ તેના મૂલ્યો -3.643 ને બદલે -5.334, -6.415, -7.496, -9.096, -9.861 અને -10.53 બને છે. અંતે, ધ્રુવીકરણક્ષમતા ડેટા દર્શાવે છે કે ગ્લિસરોલનું પ્રમાણ વધારવાથી ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મિડ 1 Na Alg ની ધ્રુવીકરણક્ષમતામાં વધારો થયો છે. મોડેલ પરમાણુ ટર્મ 1 Na Alg- 3PVA- મિડ 1 Na Alg ની ધ્રુવીકરણક્ષમતા 6 ગ્લિસરોલ એકમો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પછી 31.703 Å થી વધીને 63.198 Å થઈ ગઈ છે. એ નોંધવું મહત્વપૂર્ણ છે કે બીજી ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સંભાવનામાં ગ્લિસરોલ એકમોની સંખ્યામાં વધારો એ પુષ્ટિ કરવા માટે કરવામાં આવે છે કે મોટી સંખ્યામાં અણુઓ અને જટિલ રચના હોવા છતાં, ગ્લિસરોલ સામગ્રીમાં વધારા સાથે કામગીરી હજુ પણ સુધરે છે. આમ, એવું કહી શકાય કે ઉપલબ્ધ PVA/Na Alg/ગ્લિસરિન મોડેલ આંશિક રીતે લિથિયમ-આયન બેટરીને બદલી શકે છે, પરંતુ વધુ સંશોધન અને વિકાસની જરૂર છે.
સપાટીની શોષક સાથે બંધન ક્ષમતાનું વર્ણન કરવા અને સિસ્ટમો વચ્ચેની અનન્ય ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે કોઈપણ બે અણુઓ વચ્ચે અસ્તિત્વમાં રહેલા બંધનના પ્રકાર, આંતરઆણ્વિક અને આંતરઆણ્વિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની જટિલતા અને સપાટી અને શોષકના ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા વિતરણનું જ્ઞાન જરૂરી છે. QTAIM વિશ્લેષણમાં બોન્ડ મજબૂતાઈનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા અણુઓ વચ્ચે બોન્ડ ક્રિટિકલ પોઈન્ટ (BCP) પર ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા મહત્વપૂર્ણ છે. ઇલેક્ટ્રોન ચાર્જ ઘનતા જેટલી ઊંચી હશે, સહસંયોજક ક્રિયાપ્રતિક્રિયા વધુ સ્થિર હશે અને સામાન્ય રીતે, આ મહત્વપૂર્ણ બિંદુઓ પર ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા વધુ હશે. વધુમાં, જો કુલ ઇલેક્ટ્રોન ઊર્જા ઘનતા (H(r)) અને લેપ્લેસ ચાર્જ ઘનતા (∇2ρ(r)) બંને 0 કરતા ઓછી હોય, તો આ સહસંયોજક (સામાન્ય) ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની હાજરી સૂચવે છે. બીજી બાજુ, જ્યારે ∇2ρ(r) અને H(r) 0.54 કરતા વધારે હોય છે, ત્યારે તે નબળા હાઇડ્રોજન બોન્ડ, વાન ડેર વાલ્સ બળો અને ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ જેવા બિન-સહસંયોજક (બંધ શેલ) ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની હાજરી સૂચવે છે. QTAIM વિશ્લેષણમાં આકૃતિ 7 અને 8 માં બતાવ્યા પ્રમાણે અભ્યાસ કરાયેલ માળખામાં બિન-સહસંયોજક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની પ્રકૃતિ જાહેર થઈ. વિશ્લેષણના આધારે, 3PVA − 2Na Alg અને ટર્મ 1 Na Alg − 3PVA – મધ્ય 1 Na Alg નું પ્રતિનિધિત્વ કરતા મોડેલ પરમાણુઓએ વિવિધ ગ્લાયસીન એકમો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા પરમાણુઓ કરતાં વધુ સ્થિરતા દર્શાવી. આનું કારણ એ છે કે અલ્જીનેટ માળખામાં વધુ પ્રચલિત સંખ્યાબંધ બિન-સહસંયોજક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ જેમ કે ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ અને હાઇડ્રોજન બોન્ડ્સ અલ્જીનેટને સંયોજનોને સ્થિર કરવા સક્ષમ બનાવે છે. વધુમાં, અમારા પરિણામો 3PVA − 2Na Alg અને ટર્મ 1 Na Alg − 3PVA – મધ્ય 1 Na Alg મોડેલ પરમાણુઓ અને ગ્લાયસીન વચ્ચે બિન-સહસંયોજક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનું મહત્વ દર્શાવે છે, જે દર્શાવે છે કે ગ્લાયસીન સંયોજનોના એકંદર ઇલેક્ટ્રોનિક વાતાવરણને સુધારવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે.
મોડેલ પરમાણુ 3PVA − 2NaAlg નું QTAIM વિશ્લેષણ જે (a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, અને (f) 5Gly સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે.