p-Phenylenediamine-bridged periodic mesoporous organosilica with accessible amine sites for efficient CO2 adsorption under mild conditions
यह अध्ययन एक सह-संघनन (co-condensation) मार्ग के माध्यम से p-फेनिलिडीनडायमाइन-ब्रिज्ड पीरियोडिक मेसोपोरस ऑर्गेनोसिलिका (PPDA-PMO) के संश्लेषण की रिपोर्ट करता है, जो एक व्यवस्थित मेसोस्ट्रक्चर के भीतर अपने सुलभ और सहकारी अमीन साइटों के कारण सौम्य परिस्थितियों में उत्कृष्ट CO2 अधिशोषण क्षमता और पुन: प्रयोज्यता प्रदर्शित करता है।
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वायुमंडल धीरे-धीरे कार्बन डाइऑक्साइड से भर रहा है, एक ऐसी गैस जो गर्मी को रोकती है और जलवायु को एक अधिक गर्म और अस्थिर भविष्य की ओर ले जाती है। जबकि दुनिया नवीकरणीय ऊर्जा की ओर बढ़ रही है, जीवाश्म ईंधन और भारी उद्योगों को जलाने से पहले ही छोड़ी गई कार्बन की विशाल मात्रा एक गंभीर समस्या बनी हुई है। इसे संबोधित करने का एक तरीका गैस को आकाश में भागने से पहले ही पकड़ लेना है, उसे ऐसे ठोस पदार्थों में कैद करना जो इसे मजबूती से थामे रख सकें। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इस काम को करने के लिए एक आदर्श "स्पंज" की तलाश की है। आदर्श सामग्री इतनी छिद्रपूर्ण होनी चाहिए कि गैस आसानी से इसके माध्यम से बह सके, फिर भी रासायनिक रूप से ऐसी ट्यून की गई हो कि वह नाइट्रोजन जैसी अन्य गैसों से भरी हवा में भी विशेष रूप से कार्बन डाइऑक्साइड के अणुओं को पकड़ सके। इसे बिना अत्यधिक गर्मी या दबाव की आवश्यकता के भी काम करना चाहिए, क्योंकि ऐसा करने में बहुत अधिक ऊर्जा खर्च होगी जो इसे व्यावहारिक नहीं रहने देगी।
हाल ही में एक अध्ययन में, ईरान यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने इन सटीक आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक नए प्रकार के ठोस स्पंज का निर्माण किया है। उन्होंने एक पदार्थ बनाया जिसे 'पीरियडिक मेसोपोरस ऑर्गेनोसिलिका' कहा जाता है, जो अनिवार्य रूप से एक हाइब्रिड संरचना है जिसे सिलिका—वही पदार्थ जो रेत और कांच में पाया जाता है—को जैविक पुलों (organic bridges) द्वारा जोड़कर बनाया गया है। इस विशिष्ट संस्करण को जो चीज़ विशेष बनाती है वह यह है कि ये पुल 'पी-फेनिलडिआमीन' नामक अणु से बने हैं। यह अणु एक मचान (scaffold) के रूप में कार्य करता है जो संरचना को थामे रखता है और साथ ही सुलभ "चिपकने वाले" स्थान प्रदान करता है, जिन्हें 'एमीन साइट्स' के रूप में जाना जाता है, जो कार्बन डाइऑक्साइड के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए उत्सुक होते हैं। इन एमीन साइट्स को सामग्री के सूक्ष्म छिद्रों की दीवारों में सीधे बुनकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा पदार्थ तैयार किया जो सामान्य, सौम्य परिस्थितियों में हवा से कार्बन डाइऑक्साइड को कुशलतापूर्वक खींच सकता है।
टीम ने एक घोल में रासायनिक अग्रदूतों (precursors) को मिलाकर शुरुआत की, जिसमें एक 'सॉफ्ट टेम्पलेट' का उपयोग सूक्ष्म, समान चैनलों के निर्माण के मार्गदर्शन के लिए किया गया। जैसे-जैसे मिश्रण ने प्रतिक्रिया की, जैविक पुल और सिलिका इकाइयाँ टेम्पलेट के चारों ओर एकत्रित हुईं, जिससे एक कठोर, व्यवस्थित नेटवर्क बन गया। एक बार जब टेम्पलेट को धो दिया गया, तो इसने एक अत्यधिक संगठित सूक्ष्म सुरंगों वाली सामग्री पीछे छोड़ दी। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उन्होंने सही संरचना बनाई है, शोधकर्ताओं ने उपकरणों के एक समूह के साथ सामग्री का परीक्षण किया। उन्होंने नाइट्रोजन युक्त एमीन समूहों की उपस्थिति की पुष्टि करने के लिए इन्फ्रारेड स्प spectroscopy का उपयोग किया और यह सत्यापित करने के लिए कि छिद्र एक व्यवस्थित, दोहराव वाले षटकोणीय पैटर्न में व्यवस्थित हैं, एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग किया। इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने खुलासा किया कि सामग्री समान, बेलनाकार कणों से बनी थी, जबकि अन्य परीक्षणों ने पुष्टि की कि नाइट्रोजन और कार्बन परमाणु पूरी संरचना में समान रूप से वितरित थे, जिसमें कोई बड़ी त्रुटि नहीं थी।
जब शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि यह नई सामग्री कार्बन डाइऑक्साइड को कितनी अच्छी तरह पकड़ सकती है, तो परिणाम उत्साहजनक थे। उन्होंने पाउडर को कमरे के तापमान पर गैस के संपर्क में रखा और विभिन्न दबावों पर यह मापा कि यह कितना धारण कर सकता है। एक मानक वायुमंडलीय दबाव पर, सामग्री प्रति ग्राम 2.6 मिलीमोल कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ती है। जैसे-जैसे उन्होंने औद्योगिक उत्सर्जन धाराओं में पाई जाने वाली स्थितियों का अनुकरण करने के लिए दबाव बढ़ाया, क्षमता काफी बढ़ गई, जो 9.0 बार पर 12.8 मिलीमोल प्रति ग्राम तक पहुँच गई। यह प्रदर्शन समान परिस्थितियों में परीक्षण की गई कई अन्य छिद्रयुक्त सामग्रियों की तुलना में उल्लेखनीय रूप से बेहतर था। उच्च दक्षता का कारण सामग्री की छिद्रयुक्त संरचना और एमीन समूहों की विशिष्ट रासायनिक प्रकृति का संयोजन प्रतीत हुआ, जिसने अत्यधिक तापमान की आवश्यकता के बिना कार्बन डाइऑक्साइड के अणुओं के लिए एक मजबूत आकर्षण पैदा किया, जो अक्सर अन्य अवशोषकों के लिए आवश्यक होता है।
यह समझने के लिए कि गैस को ठीक से कैसे पकड़ा जा रहा था, टीम ने गणितीय मॉडलों का उपयोग करके डेटा का विश्लेषण किया जो यह वर्णन करते हैं कि अणु सतहों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। डेटा उस मॉडल के साथ सबसे अच्छा मेल खाता है जो सुझाव देता है कि गैस के अणु एक ऐसी सतह से चिपक रहे हैं जो पूरी तरह से एकसमान नहीं है, जिससे केवल एक एकल परत के बजाय कई परतें बन रही हैं। यह इंगित करता है कि कैप्चर प्रक्रिया भौतिक बलों द्वारा संचालित है, जहाँ गैस के अणु कमजोर विद्युत अंतःक्रियाओं के माध्यम से सतह के प्रति आकर्षित होते हैं, न कि मजबूत, स्थायी रासायनिक बंध बनाकर। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि भौतिक अधिशोषण (physical adsorption) आमतौर पर सामग्री को अधिक आसानी से पुन: उपयोग करने की अनुमति देता है। शोधकर्ताओं ने सामग्री को कैप्चरिंग और रिलीज करने के दस चक्रों के माध्यम से चलाकर इसका परीक्षण किया। दस राउंड के बाद, सामग्री ने अपनी मूल क्षमता का लगभग सारा हिस्सा बनाए रखा, अपनी प्रभावशीलता का केवल 3 प्रतिशत ही खोया। यह सुझाव देता है कि सामग्री मजबूत और स्थिर है और वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में बार-बार उपयोग के लिए पर्याप्त सक्षम है, जो कार्बन उत्सर्जन के प्रबंधन के निरंतर प्रयास में एक टिकाऊ और कुशल उपकरण प्रदान करती है।
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