Green Catalysis Using Sulfonated Carbon Prepared from Azadirachta indica Biomass

रसायन विज्ञान की अक्सर एक ऐसी छवि रही है जो कठोर, संक्षारक पदार्थों और अव्यवस्थित कचरे के क्षेत्र के रूप में जानी जाती है। दशकों से, कई रासायनिक अभिक्रियाओं को तेज करने का मानक तरीका मिश्रण में सीधे सल्फ्यूरिक एसिड जैसे मजबूत तरल अम्लों का उपयोग करना रहा है। प्रभावी होने के बावजूद, इन पारंपरिक तरीकों के पीछे समस्याओं की एक लंबी कतार होती है: एसिड को अंतिम उत्पाद से अलग करना कठिन होता है, यह इसे बनाने में उपयोग किए जाने वाले धातु के उपकरणों को संक्षारित करता है, और यह विषाक्त तरल कचरे की बड़ी मात्रा उत्पन्न करता है जिसे निपटान से पहले सावधानीपूर्वक उपचारित करना पड़ता है। हाल के वर्षों में, वैज्ञानिकों ने एक स्वच्छ मार्ग की तलाश की है, जो "ग्रीन केमिस्ट्री" (हरित रसायन विज्ञान) की ओर देख रहा है, जिसका उद्देश्य ऐसी रासायनिक प्रक्रियाओं को डिजाइन करना है जो कचरे और खतरे को कम करती हैं। इस बदलाव का एक प्रमुख हिस्सा उन घुले हुए तरल अम्लों को ठोस सामग्रियों से बदलना है जो वही काम कर सकें लेकिन जिन्हें मिश्रण से आसानी से निकाला, धोया और बार-बार उपयोग किया जा सके। चुनौती एक ऐसी ठोस सामग्री खोजने की थी जो न केवल प्रभावी हो बल्कि खनन किए गए खनिजों के बजाय नवीकरणीय संसाधनों से बनी हो।

शिवाजी विश्वविद्यालय और भारत के कई संबद्ध कॉलेजों के शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने के लिए एक परिचित और प्रचुर मात्रा में उपलब्ध पौधे की ओर रुख किया है: नीम का पेड़। वैज्ञानिक रूप से अज़ाडिरक्टा इंडिका (Azadirachta indica) के रूप में ज्ञात, यह पेड़ भारतीय उपमहाद्वीप में आम है, और इसके विभिन्न भाग—छाल, पत्तियां, बीज और लकड़ी—अक्सर कृषि अपशिष्ट के रूप में फेंके जाते हैं। ए. एस. कदम और सहयोगियों के नेतृत्व वाली टीम ने पूछा कि क्या इस बचे हुए बायोमास को रासायनिक संश्लेषण के लिए एक शक्तिशाली उपकरण में बदला जा सकता है। उन्होंने केवल पौधे के पदार्थ को कुचला नहीं; बल्कि उन्होंने इसे दो चरणों वाली एक प्रक्रिया के माध्यम से गुजरवाया जिसने इसके स्वरूप को मौलिक रूप से बदल दिया। सबसे पहले, उन्होंने सूखे नीम के पदार्थ को बहुत कम ऑक्सीजन के साथ एक भट्टी में गर्म किया। इस प्रक्रिया को 'कार्बोनाइजेशन' (carbonization) कहा जाता है, जिसने वनस्पति रेशों को एक काले, छिद्रपूर्ण ठोस में बदल दिया, जिसे 'बायोचार' (biochar) कहा जाता है, जो अनिवार्य रूप से चारकोल के समान कार्बन का एक रूप है। हालांकि, सादा कार्बन कई रासायनिक अभिक्रियाओं को चलाने के लिए पर्याप्त अम्लीय नहीं होता है। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने उच्च तापमान पर सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड के साथ बायोचार का उपचार किया। इस चरण को 'सल्फोनेशन' (sulfonation) कहा जाता है, जिसने कार्बन की सतह पर सूक्ष्म अम्लीय समूहों को रासायनिक रूप से जोड़ा, जिससे उस निष्क्रिय काले पाउडर को एक ठोस एसिड उत्प्रेरक (catalyst) में बदल दिया।

परिणामस्वरूप एक पुन: प्रयोज्य उत्प्रेरक प्राप्त हुआ जो रासायनिक अभिक्रियाओं के लिए एक ठोस स्पंज की तरह व्यवहार करता है। जब शोधकर्ताओं ने इस नई सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह जटिल वलय-आकार (ring-shaped) के अणुओं के निर्माण को सफलतापूर्वक संचालित कर सकता है, जो दवाओं और अन्य जैविक यौगिकों के लिए महत्वपूर्ण निर्माण खंड हैं। उन्होंने इन अभिक्रियाओं को बिना किसी तरल विलायक (solvent) के, या केवल इथेनॉल की एक छोटी मात्रा के साथ चलाया, जिससे प्रक्रिया स्वच्छ और सरल बनी रही। इन परीक्षणों में, नीम से प्राप्त उत्प्रेरक ने कम समय में वांछित उत्पाद की उच्च मात्रा का उत्पादन किया। महत्वपूर्ण रूप से, क्योंकि उत्प्रेरक एक ठोस है, यह अभिक्रिया में घुला नहीं। एक बार अभिक्रिया समाप्त हो जाने के बाद, वैज्ञानिकों ने तरल उत्पाद से काले पाउडर को अलग करने के लिए मिश्रण को बस छान लिया। इसके बाद उन्होंने पाउडर को धोया, सुखाया और पुनः उपयोग किया। अध्ययन एक ऐसी कार्यप्रणाली की रूपरेखा प्रस्तुत करता है जहाँ पुन: प्रयोज्यता का मूल्यांकन पांच लगातार अभिक्रिया चक्रों के माध्यम से किया जाता है, और उत्प्रेरक के प्रदर्शन में किसी भी कमी का विश्लेषण इसकी दीर्घकालिक स्थिरता निर्धारित करने के लिए किया जाता है।

उन्होंने वास्तव में क्या बनाया था, इसे समझने के लिए टीम ने उन्नत उपकरणों के एक समूह का उपयोग करके सामग्री का परीक्षण किया। उन्होंने कार्बन सामग्री की क्रिस्टलीय या अमोर्फस प्रकृति को निर्धारित करने के लिए 'एक्स-रे डिफ्रैक्शन' नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के तहत सतह का निरीक्षण किया, जिससे एक ऊबड़-खाबड़, छिद्रपूर्ण परिदृश्य का पता चला जिसमें सूक्ष्म छेद थे जहाँ रासायनिक अभिक्रियाएं हो सकती थीं। स्पेक्ट्रोस्कोपी ने पुष्टि की कि सल्फ्यूरिक एसिड उपचार ने कार्बन की सतह पर सल्फर युक्त समूहों को सफलतापूर्वक बांध दिया था, जिससे आवश्यक अम्लीय स्थल (acidic sites) बन गए। उन्होंने सतह क्षेत्र को मापने और थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण का उपयोग करके उत्प्रेरक की तापीय स्थिरता का मूल्यांकन करने की भी योजना बनाई। शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह थी कि उन्होंने ठोस की अम्लता को मापने की योजना बनाई ताकि प्रोटॉन दान करने में सक्षम सक्रिय स्थलों की कुल संख्या का निर्धारण किया जा सके, जो कि इन उत्प्रेरकों के कार्य करने का तंत्र है।

अध्ययन सुझाव देता है कि यह दृष्टिकोण पारंपरिक, खतरनाक तरल अम्लों के लिए एक व्यावहारिक विकल्प प्रदान करता है। नीम जैसे नवीकरणीय संसाधन का उपयोग करके, जो अक्सर जला दिया जाता है या फेंक दिया जाता है, यह प्रक्रिया कचरे को एक मूल्यवान उपकरण में बदल देती है। उत्प्रेरक की ठोस प्रकृति घुले हुए अम्लों को हटाने के लिए आमतौर पर आवश्यक व्यापक धुलाई और उदासीनीकरण (neutralization) चरणों की आवश्यकता को समाप्त करती है, जिससे पानी की बचत होती है और रासायनिक कचरा कम होता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि उत्प्रेरक गैर-विषाक्त है और इसे पुनः प्राप्त करना आसान है, जो सतत विनिर्माण के सिद्धांतों के अनुरूप है। जबकि उनका कार्य विशिष्ट रासायनिक अभिक्रियाओं पर केंद्रित है, निष्कर्ष एक व्यापक संभावना की ओर संकेत करते हैं: कि हमारे आसपास मौजूद प्रचुर बायोमास को हरित रसायन विज्ञान के लिए कुशल, पुन: प्रयोज्य उपकरणों में परिवर्तित किया जा सकता है, जिससे औद्योगिक संश्लेषण के पर्यावरणीय पदचिह्न (environmental footprint) को कम किया जा सकता है। शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि ये नीम-आधारित उत्प्रेरक भविष्य के रासायनिक अनुसंधान के लिए एक आशाजनक, कम लागत वाले और पर्यावरण के अनुकूल दिशा का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो कार्बनिक संश्लेषण को सुरक्षित और अधिक टिकाऊ बनाने का एक तरीका प्रदान करते हैं।