One-step synthesis of NiS2/Ni3S4 under atmospheric pressure using deep eutectic solvent as dual reaction medium and morphology regulator
यह शोध पत्र एक गहरे यूटेक्टिक विलायक (deep eutectic solvent) का उपयोग करके एक NiS2/Ni3S4 कंपोजिट के वायुमंडलीय-दबाव संश्लेषण की रिपोर्ट करता है, जो प्रतिक्रिया माध्यम और आकृति नियामक दोनों के रूप में कार्य करता है, जो एक विस्थापन (disproportionation) पथ को सुगम बनाता है ताकि उच्च विद्युत चालकता वाले नैनो-आकार के कणों का उत्पादन किया जा सके जो इलेक्ट्रोकैटलिसिस और ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं।
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निकल सल्फाइड्स ऐसे पदार्थों का एक परिवार है जिन्हें वैज्ञानिक लंबे समय से उनकी बिजली संचालित करने और रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चलाने की क्षमता के लिए सराहते रहे हैं। ये निकल (एक सामान्य धातु) और सल्फर (एक पीला तत्व जिसे अक्सर इसकी विशिष्ट गंध से पहचाना जाता है) से बने होते हैं। जब इन तत्वों को मिलाया जाता है, तो ये ऐसे यौगिक बनाते हैं जो विभिन्न आकारों और संरचनाओं में मौजूद हो सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे पानी बर्फ, तरल या भाप हो सकता है। ये विविधताएं इन सामग्रियों को अद्वितीय गुण प्रदान करती हैं, जिससे वे बैटरी जैसे ऊर्जा संचय करने वाले उपकरणों या स्वच्छ ईंधन बनाने के लिए पानी को विभाजित करने वाली प्रक्रियाओं के लिए मूल्यवान बन जाती हैं। हालांकि, इन सामग्रियों को बनाना पारंपरिक रूप से कठिन रहा है। अधिकांश विधियों के लिए उच्च दबाव में सीलबंद धातु पात्रों के भीतर रसायनों को गर्म करने की आवश्यकता होती है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें बहुत अधिक ऊर्जा लगती है, महंगी है और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए कठिन है। इसके अलावा, परिणामी कणों के सटीक आकार और आकृति को नियंत्रित करना अक्सर एक चुनौती रहा है, क्योंकि उच्च-दबाव वाले वातावरण अप्रत्याशित परिणामों की ओर ले जा सकते हैं।
पान्झीहुआ विश्वविद्यालय और कुनमिंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन सामग्रियों को बनाने का एक सरल तरीका खोज निकाला है। उन्होंने एक ऐसी विधि विकसित की है जो सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर काम करती है, जिसका अर्थ है कि इसके लिए भारी, सीलबंद दबाव वाले पात्रों की आवश्यकता नहीं है। कठोर कार्बनिक विलायकों या चरम स्थितियों का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने एक विशेष तरल मिश्रण का उपयोग किया जिसे 'डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट' (deep eutectic solvent) कहा जाता है। यह मिश्रण कोलीन क्लोराइड (जो कई जैविक प्रणालियों में पाया जाने वाला एक लवण है) और एथिलीन ग्लाइकॉल (एक सामान्य एंटीफ्रीज घटक) को मिलाकर बनाया गया है। जब इन दोनों को सही अनुपात में मिलाया जाता है, तो ये दो तरल पदार्थ एक स्थिर, गाढ़े तरल का निर्माण करते हैं जो प्रतिक्रिया के वातावरण और अंतिम उत्पाद के आकार के मार्गदर्शक, दोनों के रूप में कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने इस तरल में निकल नाइट्रेट और सोडियम थियोसल्फेट को मिलाया और इसे गर्म किया। तापमान, समय और शुरुआती रसायनों की मात्रा को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे दो विशिष्ट निकल सल्फाइड चरणों, NiS2 और Ni3S4 वाले एक मिश्रित पदार्थ को उच्च सटीकता के साथ बनाने में सक्षम रहे।
प्रक्रिया से पता चला कि तरल मिश्रण की गाढ़ापन और चिपचिपाहट प्रकृति ने अंतिम सामग्री को आकार देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। चूंकि तरल बहुत गाढ़ा है, इसलिए यह कणों के बढ़ने की गति को सीमित करता है, जिससे एक प्राकृतिक सांचे की तरह कार्य करता है जो क्रिस्टल को छोटा रखता है। परिणामी कणों का आकार 50 से 100 नैनोमीटर के बीच पाया गया, जो पारंपरिक उच्च-दबाव विधियों द्वारा प्राप्त किए जाने वाले आकार से काफी छोटा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि तापमान पर्याप्त रूप से उच्च होना चाहिए, विशेष रूप से 120 डिग्री सेल्सियस, और सामग्री को शुद्ध और सुव्यवस्थित बनाने के लिए प्रतिक्रिया को पूरे 24 घंटों तक चलना चाहिए। यदि प्रक्रिया को बहुत जल्दी रोक दिया जाता या तापमान बहुत कम होता, तो सामग्री अवांछित मध्यवर्ती यौगिकों का मिश्रण बनी रहती। शुरुआती रसायनों की सांद्रता को सूक्ष्मता से नियंत्रित करके, वे अंतिम उत्पाद में दो अलग-अलग निकल सल्फाइड चरणों के अनुपात को नियंत्रित कर सके, जिससे एक ऐसा पदार्थ बना जो शुद्ध और सुसंगत दोनों था।
यह समझने के लिए कि यह परिवर्तन वास्तव में कैसे हुआ, टीम ने तरल के भीतर रासायनिक वातावरण की निगरानी की। उन्होंने अम्लता, विद्युत क्षमता और सल्फेट आयनों की सांद्रता को मापा। उनके अवलोकनों ने दिखाया कि सोडियम थियोसल्फेट, जिसने सल्फर प्रदान किया, एक जटिल परिवर्तन से गुजरा जहाँ इसने एक साथ ऑक्सीकरण एजेंट और अपचयन एजेंट (reducing agent) दोनों के रूप में कार्य किया। इस दोहरी क्रिया ने इसे टूटने और निकल के साथ पुनर्संयोजन करने की अनुमति दी ताकि वांछित सल्फाइड संरचनाएं बन सकें। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट स्वयं नहीं बदला या प्रतिक्रिया में भाग नहीं लिया; यह स्थिर और निष्क्रिय बना रहा, जो केवल एक सुरक्षित और प्रभावी माध्यम के रूप में कार्य करता है। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करता है कि ऐसे मिश्रणों का उपयोग जटिल सामग्रियां बनाने के लिए एक विश्वसनीय, पुन: प्रयोज्य वातावरण के रूप में किया जा सकता है, बिना इस जोखिम के कि विलायक स्वयं टूट जाएगा या उत्पाद को दूषित करेगा।
अंतिम सामग्री का परीक्षण बिजली संचालित करने की इसकी क्षमता के लिए किया गया, जो ऊर्जा उपकरणों के लिए इसके संभावित उपयोग के लिए एक प्रमुख गुण है। जब पाउडर को दबाव के तहत संकुचित किया गया, तो इसने उत्कृष्ट चालकता प्रदर्शित की, जिसमें 20 मेगापास्कल के दबाव पर प्रतिरोधकता 0.010 ओम-सेमी तक कम थी। प्रदर्शन का यह स्तर वैज्ञानिक साहित्य में रिपोर्ट किए गए सर्वश्रेष्ठ निकल सल्फाइड सम्मिश्रों के तुलनीय है, बावजूद इसके कि इसे बहुत हल्की परिस्थितियों में बनाया गया है। यह अध्ययन दर्शाता है कि खतरनाक उच्च-दबाव वाले उपकरणों या जहरीले विलायकों की आवश्यकता के बिना उच्च-प्रदर्शन वाले, मिश्रित-चरण निकल सल्फाइड सामग्री बनाना संभव है। एक सरल, वायुमंडलीय-दबाव विधि और एक 'ग्रीन सॉल्वेंट' का उपयोग करके जो कण के आकार को भी नियंत्रित करता है, शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों को बनाने के लिए एक नया मार्ग खोल दिया है। यह दृष्टिकोण सुझाव देता है कि उन्नत ऊर्जा सामग्रियों का उत्पादन भविष्य में अधिक सुलभ, स्केलेबल और पर्यावरण के अनुकूल हो सकता है।
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