S-Modified Graphene Nanosheet for Selective Adsorptive Desulfurization: Experimental Characterization, Extractive Metallurgy, and DFT Investigation
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सल्फर-संशोधित ग्राफीन नैनोशीट्स (S-GNS), तरल हेक्सेन में सहक्रियात्मक π–π स्टैकिंग और डोनर-एक्सेप्टर इंटरैक्शन के माध्यम से सुगंधित सल्फर यौगिकों को प्रभावी ढंग से हटाते हुए, पेट्रोलियम के वि-सल्फरकरण के लिए एक अत्यधिक चयनात्मक और पुनर्योजी अधिशोषक के रूप में कार्य करते हैं, जबकि गैस-चरण पुनर्जीवन को सुलभ बनाते हैं।
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ईंधन की दुनिया की कल्पना करें जो एक हलचल भरे शहर की तरह है जहाँ स्वच्छ-दहन वाले इंजन खुशहाल नागरिक हैं। लेकिन परछाइयों में अदृश्य शरारती तत्व छिपे हुए हैं: सल्फर यौगिक। ये चालाक अणु छोटे, चिपचिपे चुंबकों की तरह हैं जो हमारी कारों और बिजली संयंत्रों की मशीनरी से चिपक जाते हैं। जब ईंधन जलता है, तो ये सल्फर शरारती तत्व स्मॉग और अम्लीय वर्षा (एसिड रेन) में बदल जाते हैं, जो हवा का दम घोंटते हैं और उन्हीं इंजनों को संक्षारित (corrode) कर देते हैं जिन्हें उन्हें शक्ति देनी थी। दशकों से, वैज्ञानिक उन्हें बाहर निकालने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन यह कांच की मिश्रित गेंदों के जार में से विशिष्ट लाल मार्बल्स को बिना जार तोड़े बाहर निकालने जैसा है। चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने की है जो इतनी स्मार्ट हो कि वह केवल सल्फर को पकड़े, बाकी ईंधन को अनदेखा करे, और इसे आसानी से छोड़ दे ताकि इसका फिर से उपयोग किया जा सके। यह "अधिशोषण" (adsorption) का खेल है, जो एक फैंसी शब्द है जिसका अर्थ है एक चीज़ का दूसरी सतह से चिपकना, और यही हमारी हवा को स्वच्छ बनाने और हमारे इंजनों को लंबे समय तक चलने में मदद करने की कुंजी है।
अब, इस कहानी के नायकों से मिलिए: शोधकर्ताओं की एक टीम जिसने ग्राफीन से एक 'सुपर-स्पंज' बनाने का निर्णय लिया, जिसे अक्सर "वंडर मटेरियल" कहा जाता है क्योंकि यह मधुमक्खी के छत्ते के पैटर्न में व्यवस्थित कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत है। लेकिन सादा ग्राफीन थोड़ा अधिक विनम्र है; यह सल्फर को बहुत अच्छी तरह से नहीं पकड़ता है। इसलिए, वैज्ञानिकों ने "रासायनिक बनावट" का खेल खेलने का निर्णय लिया। उन्होंने अपने ग्राफीन शीट्स को लिया और उन पर सल्फर परमाणुओं की बौछार कर दी, जिससे उन्होंने "S-मॉडिफाइड ग्राफीन नैनोशीट्स" बनाईं। इसे ग्राफीन को सल्फर से बने विशेष दस्ताने पहनने जैसा समझें। विचार यह था कि ये सल्फर दस्ताने ईंधन के भीतर मौजूद सल्फर शरारतियों को 'हाई-फाइव' देंगे, उन्हें मजबूती से पकड़ लेंगे जबकि बाकी सब को अनदेखा कर देंगे।
शोधकर्ताओं ने केवल यह अनुमान नहीं लगाया कि यह काम करेगा; उन्होंने अपने नए पदार्थ का एक डिजिटल जुड़वां (डिजिटल ट्विन) शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन (एक विधि जिसे DFT कहा जाता है) का उपयोग करके बनाया ताकि यह देख सकें कि अणु एक साथ कैसे नाचते हैं। उन्होंने पाया कि सल्फर-डोप्ड ग्राफीन एक "डबल-एजेंट ट्रैप" की तरह काम करता है। यह अपने शिकार को पकड़ने के लिए दो अलग-अलग तरकीबों का उपयोग करता है: पहले, सल्फर अणुओं के सपाट छल्लों और सपाट ग्राफीन शीट के बीच एक "चुंबकीय" आकर्षण (- स्टैकिंग), और दूसरा, ईंधन में मौजूद सल्फर और ग्राफीन में मौजूद सल्फर के बीच एक विशिष्ट रासायनिक हाथ मिलाना (S–S डोनर-एक्सेप्टर इंटरेक्शन)। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि न तो यह तरकीब अकेले अच्छी तरह काम करती है, लेकिन साथ मिलकर, वे एक अत्यंत मजबूत बंधन बनाते हैं जो डाइफेनिल सल्फाइड और डाइफेनिल डिसल्फाइड जैसे जिद्दी सल्फर अणुओं को कसकर थाम लेता है, जबकि बाकी ईंधन को फिसलने देता है।
यह साबित करने के लिए कि उनके डिजिटल अनुमान केवल एक कल्पना नहीं थे, टीम प्रयोगशाला में गई। उन्होंने सल्फर-डोप्ड ग्राफिन का संश्लेषण किया, सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे के साथ इसकी संरचना की पुष्टि की, और फिर इसे ईंधन के बीकर में परखा। परिणाम उनके कंप्यूटर मॉडल के साथ एक आदर्श मेल थे। नए पदार्थ ने तरल अवस्था में 833.423 के साम्यावस्था स्थिरांक (equilibrium constant) के साथ सुगंधित सल्फर यौगिकों को पकड़ा, जो एक संख्या है जो ईंधन की तुलना में सल्फर के प्रति बहुत मजबूत प्राथमिकता को दर्शाती है। इससे भी बेहतर, यह सामग्री एक "वन-ट्रिक पोनी" थी—सबसे अच्छे तरीके से: यह अत्यधिक चयनात्मक थी। सल्फर, नाइट्रोजन और नियमित ईंधन के मिश्रण में, इसने नाइट्रोजन और ईंधन को अनदेखा कर दिया, और लगभग पूरी तरह से सल्फर पर ध्यान केंद्रित किया।
लेकिन एक स्पंज जो हमेशा भरा रहता है वह बेकार है। असली जादू तब हुआ जब उन्होंने स्पंज को खाली करने की कोशिश की। कंप्यूटर सिमुलेशन ने भविष्यवाणी की थी कि ग्राफीन और सल्फर के बीच का बंधन आसानी से टूट जाएगा यदि तापमान को थोड़ा बढ़ा दिया जाए। प्रयोगों ने इसकी पुष्टि की: सामग्री को केवल 100°C (212°F) तक गर्म करके या इसे एक विलायक (solvent) से धोकर, वे पकड़े गए सल्फर को छोड़ सकते थे और ग्राफीन का पुन: उपयोग कर सकते थे। पकड़ने और छोड़ने के पांच दौर के बाद भी, सामग्री ने अपनी मूल शक्ति का 86% बनाए रखा। शोधकर्ताओं ने एक निरंतर प्रवाह कॉलम (continuous flow column) में भी इसका परीक्षण किया, जो एक वास्तविक दुनिया के फिल्टर की नकल करता है, और पाया कि यह बिना जाम हुए ईंधन की एक स्थिर धारा को संभाल सकता है, और प्रति ग्राम सामग्री में 18.3 मिलीग्राम सल्फर को कैप्चर कर सकता है।
संक्षेप में, यह पेपर सुझाव देता है कि ग्राफीन को सल्फर के साथ डोपिंग करके, हम ईंधन को साफ करने के लिए एक अत्यधिक चयनात्मक, पुन: प्रयोज्य और कुशल फिल्टर बना सकते हैं। यह कोई जादुई छड़ी नहीं है जो दुनिया की हर समस्या को हल कर देती है, लेकिन यह कम ऊर्जा और अधिक सटीकता के साथ हमारे ईंधन से सल्फर को बाहर निकालने के भविष्य की ओर एक आशाजनक कदम है। टीम ने दिखाया कि कंप्यूटर मॉडलिंग और वास्तविक दुनिया के परीक्षण का संयोजन इन सामग्रियों को डिजाइन करने का एक शक्तिशाली तरीका है, यह साबित करते हुए कि कभी-कभी, चोर को पकड़ने के लिए, आपको उसी की तरह कपड़े पहनने की आवश्यकता होती है।
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