Coordination-Defined Ionic Cocrystals Drive Electronic Structure Engineering in Ionic Carbon Nitrides for High-Performance H2O2 Photosynthesis
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि विविक्त Li-कार्बोनिल समन्वय वाले एक क्रिस्टलीय यूरिया-LiCl आयनिक को-क्रिस्टल का अग्रदूत के रूप में उपयोग करना पॉली(हेप्टाज़ीन इमाइड) कार्बन नाइट्राइड्स में इलेक्ट्रॉनिक संरचना की सटीक इंजीनियरिंग को सक्षम बनाता है, जिसके परिणामस्वरूप पारंपरिक ढांचे को बनाए रखते हुए H2O2 प्रकाश संश्लेषण के लिए एक रिकॉर्ड-तोड़ 89% क्वांटम यील्ड प्राप्त होती है।
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सूर्य के प्रकाश को लंबे समय से ऊर्जा के एक मुफ्त स्रोत के रूप में देखा जाता रहा है, लेकिन उपयोगी रसायनों को बनाने के लिए इसे पकड़ना एक कठिन पहेली है। वैज्ञानिक केवल सूर्य के प्रकाश और पानी का उपयोग करके हवा से ऑक्सीजन को हाइड्रोजन पेरोक्साइड (एक सामान्य रसायन जिसका उपयोग सफाई और कीटाणुशोधन के लिए किया जाता है) में बदलने के तरीके पर काम कर रहे हैं। यह प्रक्रिया आकर्षक है क्योंकि यह समुदायों को बड़े कारखानों या खतरनाक परिवहन के बिना अपने स्वयं के रसायन बनाने की अनुमति दे सकती है। हालांकि, इसमें शामिल अणु जिद्दी होते हैं; वे अक्सर गलत तरीके से प्रतिक्रिया करते हैं, वांछित उत्पाद के बजाय पानी में बदल जाते हैं, या बहुत जल्दी टूट जाते हैं। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं को ऐसे पदार्थों की आवश्यकता है जो इन प्रतिक्रियाओं को सटीक रूप से निर्देशित कर सकें, जैसे कि एक कुशल कंडक्टर एक ऑर्केस्ट्रा को सही स्वर बजाने के लिए निर्देशित करता है। इस काम के लिए एक आशाजनक सामग्रियों का परिवार कार्बन और नाइट्रोजन से बना है, जिसे एक विशिष्ट, दोहराते रहने वाले पैटर्न में व्यवस्थित किया गया है जो प्रकाश को अवशोषित कर सकता है और विद्युत आवेशों को स्थानांतरित कर सकता है।
हाल ही में हुए एक अध्ययन में, मैक्स प्लैंक संस्थान और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों को बनाने का एक नया तरीका खोजा है जो उनके प्रदर्शन में नाटकीय रूप से सुधार करता है। उन्होंने पाया कि बेहतर उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) बनाने का रहस्य केवल उन सामग्रियों में नहीं है जिन्हें वे मिलाते हैं, बल्कि इस बात में है कि अंतिम सामग्री बनने से पहले उन सामग्रियों को कैसे व्यवस्थित किया जाता है। शुरुआती अणुओं को एक विशिष्ट, क्रिस्टलीय संरचना में सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, वे एक ऐसी सामग्री बनाने में सक्षम हुए जो पहले के किसी भी परीक्षण किए गए पदार्थ की तुलना में बहुत अधिक दक्षता के साथ हाइड्रोजन पेरोक्साइड का उत्पादन करती है। इस सामग्री ने एक विशिष्ट नीले प्रकाश तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) पर 89 प्रतिशत का क्वांटम यील्ड प्राप्त किया, जिसका अर्थ है कि यह प्रकाश के दस में से लगभग नौ कणों को वांछित रासायनिक प्रतिक्रिया में परिवर्तित करती है। यह इस प्रकार की सामग्री के लिए प्रदर्शन का एक रिकॉर्ड-तोड़ स्तर है।
शोधकर्ताओं ने यूरिया (एक सामान्य कार्बनिक यौगिक) और लिथियम क्लोराइड (एक साधारण नमक) के मिश्रण से शुरुआत की। उन्हें बस आपस में पीसने के बजाय, उन्होंने 'बॉल मिलिंग' नामक प्रक्रिया का उपयोग किया ताकि इन अणुओं को एक सटीक, व्यवस्थित व्यवस्था जिसे आयनिक को-क्रिस्टल कहा जाता है, में मजबूर किया जा सके। इस अवस्था में, लिथियम परमाणु यूरिया के ऑक्सीजन परमाणुओं द्वारा मजबूती से पकड़े जाते हैं, जिससे एक विशिष्ट समन्वय वातावरण (कोऑर्डिनेशन एनवायरनमेंट) बनता है। यह व्यवस्था समान सामग्रियों में आमतौर पर देखी जाने वाली परतदार, शीट जैसी संरचनाओं से अलग है। टीम ने इस मिश्रण को उच्च तापमान पर गर्म किया, जिससे यह 'पॉली(हेप्टाज़ीन इमाइड)' नामक एक ठोस, छिद्रपूर्ण सामग्री में संघनित हो गया। चूंकि शुरुआती अणु पहले से ही एक विशिष्ट तरीके से व्यवस्थित थे, इसलिए अंतिम सामग्री ने एक अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक संरचना विरासत में प्राप्त की, भले ही इसका मूल रासायनिक ढांचा अन्य तरीकों से बनी सामग्रियों जैसा ही था।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह विशिष्ट शुरुआती व्यवस्था ही मुख्य कुंजी थी, वैज्ञानिकों ने अपनी नई सामग्री की तुलना कई अन्य सामग्रियों से की। उन्होंने समान रासायनिक सामग्रियों का उपयोग किया लेकिन उन्हें अलग-अलग तरीकों से मिलाया, जैसे कि उन्हें एक साल्ट बाथ (नमक के स्नान) में पिघलाना या सामग्री बनने के बाद नमक मिलाना। इनमें से किसी भी वैकल्पिक तरीके ने ऐसी सामग्री नहीं बनाई जो लगभग उतनी अच्छी तरह काम करती हो। यहाँ तक कि जब उन्होंने लिथियम को सोडियम या पोटेशियम जैसे अन्य धातुओं से बदला, या सामग्री बनने के बाद आयनों का आदान-प्रदान करने की कोशिश की, तो प्रदर्शन काफी कम हो गया। इसने इस विचार को खारिज कर दिया कि उच्च प्रदर्शन केवल मौजूद धातु की मात्रा या सामग्री के सामान्य आकार के कारण था। इसके बजाय, प्रमाण इस ओर इशारा करते थे कि सामग्री को गर्म करने से पहले यूरिया के साथ लिथियम परमाणुओं के समन्वय का विशिष्ट तरीका ही असली कारण था। इस पूर्व-संगठन ने एक ब्लूप्रिंट के रूप में कार्य किया, जिससे अंतिम संरचना के निर्माण को निर्देशित किया गया ताकि वह ऑक्सीजन अणुओं को बेहतर ढंग से आकर्षित कर सके और प्रतिक्रिया को सुगम बना सके।
नई सामग्री, जिसमें प्रक्रिया के दौरान जोड़ा गया सोडियम का एक छोटा सा हिस्सा भी शामिल था, उल्लेखनीय स्थिरता और गति प्रदर्शित करती है। यह हाइड्रोजन पेरोक्साइड का उत्पादन करने की अपनी क्षमता खोए बिना कई चक्रों तक चल सकती है। सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक गुणों के विस्तृत विश्लेषण से पता चला कि अद्वितीय प्रारंभिक व्यवस्था ने एक ऐसा परिदृश्य बनाया जहाँ इलेक्ट्रॉन अधिक स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं और ऑक्सीजन के साथ अधिक मजबूती से अंतःक्रिया कर सकते हैं। इसने सामग्री को ऑक्सीजन अणुओं को अधिक मजबूती से पकड़ने और उन्हें पानी में टूटने के बजाय हाइड्रोजन पेरोक्साइड बनने के सही चरणों के माध्यम से निर्देशित करने की अनुमति दी। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से इसकी पुष्टि की, जिसने परमाणुओं के व्यवहार को मॉडल किया, जिससे दिखाया गया कि उनकी नई सामग्री में वांछित रसायन बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में कम है।
यह कार्य सौर ऊर्जा रूपांतरण के लिए सामग्रियां डिजाइन करने के एक नए सिद्धांत का सुझाव देता है। यह दर्शाता है कि शुरुआती सामग्रियों के आणविक वातावरण को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक उनकी मौलिक रासायनिक पहचान को बदले बिना अंतिम उत्पाद के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को इंजीनियर कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण अधिक कुशल उत्प्रेरकों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करता है जिन्हें बनाने के लिए कम कच्चे माल और ऊर्जा की आवश्यकता होती है। अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि प्रतिक्रिया शुरू होने से पहले अणु एक साथ कैसे बंधे होते हैं, यह तय कर सकता है कि बाद में सामग्री कितनी अच्छी तरह प्रदर्शन करेगी, जो केवल सूर्य के प्रकाश और हवा का उपयोग करके स्वच्छ रसायनों को बनाने की नई संभावनाओं को खोलता है।
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