The effect of P +3 , Bi +3 and Zr +4 substitution in Mo 1-x-y-z P x Bi y Zr z O 2 /g-C 3 N 4 nanocomposite: Microstructure, optical properties and improvement of photocatalytic behavior in the visible light range

स्वच्छ जल एक मौलिक आवश्यकता है, फिर भी दुनिया भर के करोड़ों लोगों के लिए यह पहुंच से बाहर बना हुआ है। कपड़ा उद्योग से लेकर रसायनों तक, औद्योगिक अपशिष्ट लगातार हमारे सीमित भंडारों को प्रदूषित कर रहे हैं, जो पारिस्थितिकी तंत्र और मानव स्वास्थ्य दोनों के लिए खतरा पैदा कर रहे हैं। हालांकि फिल्टर करने या रासायनिक उपचार जैसे पारंपरिक तरीके मौजूद हैं, लेकिन वे अक्सर बहुत अधिक ऊर्जा की मांग करते हैं या प्रक्रिया के दौरान नई समस्याएं पैदा करते हैं। इसने वैज्ञानिकों को प्रकृति की अपनी शक्ति की ओर देखने के लिए प्रेरित किया है: सूर्य का प्रकाश। प्रकाश का उपयोग करके उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सक्रिय करने से, जो प्रदूषकों को तोड़ देती हैं, शोधकर्ता भारी मशीनरी या महंगे ईंधन के बिना पानी को शुद्ध करने का एक टिकाऊ तरीका बनाने की उम्मीद करते हैं। चुनौती ऐसे पदार्थों को खोजने में है जो सूर्य के प्रकाश को कुशलतापूर्वक पकड़ सकें और उसे हानिकारक पदार्थों को तेजी से नष्ट करने के लिए उपयोग कर सकें।

हाल ही में एक अध्ययन में, ईरान यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने इस चुनौती से निपटने के लिए एक नए प्रकार की सामग्री विकसित करने पर काम किया, जिसे एक अत्यधिक कुशल सौर-संचालित क्लीनर के रूप में कार्य करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उन्होंने दो विशिष्ट पदार्थों पर ध्यान केंद्रित किया: मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड, जो प्रकाश को अवशोषित करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है, और ग्राफाइटिक कार्बन नाइट्राइड, जो एक सिंथेटिक सामग्री है जो स्थिर और उत्पादन में आसान है। अकेले, इन सामग्रियों की सीमाएं हैं; एक प्रकाश को अच्छी तरह से अवशोषित कर सकता है लेकिन ऊर्जा को बर्बाद होने से रोकने में संघर्ष कर सकता है, जबकि दूसरा स्थिर है लेकिन दृश्यमान प्रकाश के तहत बहुत सक्रिय नहीं है। टीम का लक्ष्य उन्हें एक एकल, शक्तिशाली प्रणाली में संयोजित करना था और फिर इसमें तीन अलग-अलग तत्वों—फास्फोरस, बिस्मथ और जिरकोनियम—की सूक्ष्म मात्रा जोड़कर इसे और बेहतर बनाना था।

शोधकर्ताओं ने हाइड्रोथर्मल विधि का उपयोग करके इन दोनों आधार सामग्रियों का मिश्रण तैयार करके शुरुआत की, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें क्रिस्टल के निर्माण को प्रोत्साहित करने के लिए दबाव के तहत पानी को गर्म किया जाता है। इसके बाद उन्होंने तीन डॉपेंट तत्वों—फास्फोरस, बिस्मथ और जिरकोनियम—को विशिष्ट अनुपातों में मिश्रण में शामिल किया। इन जोड़े गए तत्वों को सामग्री की आंतरिक संरचना में सूक्ष्म समायोजन के रूप में समझें, ठीक वैसे ही जैसे किसी वाद्य यंत्र को सही स्वर पाने के लिए ट्यून किया जाता है। टीम ने कई विविधताएं बनाईं, जिनमें सिंगल डॉपेंट, डबल डॉपेंट वाले नमूने और अंत में तीनों तत्वों वाले संस्करण का परीक्षण किया गया। इसके बाद उन्होंने इन नई सामग्रियों की भौतिक संरचना का परीक्षण शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे मशीनों का उपयोग करके किया ताकि यह देखा जा सके कि परमाणुओं की व्यवस्था कैसे थी और क्रिस्टल के आकार में कैसे परिवर्तन आया।

परिणामों ने दिखाया कि तीनों तत्वों को एक साथ जोड़ने से एक ऐसी सामग्री बनी जिसका क्रिस्टल आकार अन-डोप वाले संस्करण की तुलना में काफी छोटा था। आकार में इस कमी का अर्थ था कि सामग्री का सतही क्षेत्रफल बहुत बड़ा था, जिससे रासायनिक प्रतिक्रियाओं के होने के लिए अधिक स्थान उपलब्ध हुआ। ऑप्टिकल परीक्षणों से पता चला कि यह ट्रिपल-डोप मिश्रण अन्य संस्करणों की तुलना में दृश्यमान प्रकाश को बहुत बेहतर तरीके से अवशोषित करता है, जिसमें बैंड गैप—सामग्री को सक्रिय करने के लिए आवश्यक ऊर्जा—घटकर 1.68 इलेक्ट्रॉन वोल्ट हो गया। इस संकीर्ण अंतराल ने सामग्री को सूर्य से अधिक ऊर्जा प्राप्त करने की अनुमति दी। इसके अलावा, सामग्री द्वारा विद्युत आवेशों (इलेक्ट्रिकल चार्जेस) को संभालने के माप से पता चला कि फास्फोरस, बिस्मथ और जिरकोनियम का संयोजन प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉनों को रोकता है, जिससे उन्हें 'होल्स' के साथ पुनर्संयोजन करने और अपनी ऊर्जा बर्बाद करने से रोका जा सके। आवेशों का यह पृथक्करण प्रदूषकों को तोड़ने के लिए आवश्यक रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चलाने के लिए महत्वपूर्ण है।

जब टीम ने पानी को साफ करने की सामग्री की क्षमता का परीक्षण किया, तो उन्होंने कार्बनिक प्रदूषकों के प्रतिनिधि के रूप में 'मिथलीन ब्लू' नामक एक सामान्य नीले रंग का उपयोग किया। उन्होंने इस डाई के घोल में फोटोकैटलिस्ट रखा और इसे दृश्यमान प्रकाश के संपर्क में लाया। परिणाम चौंकाने वाले थे। जबकि शुद्ध मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड बीस मिनट में डाई के लगभग 74.8 प्रतिशत को तोड़ने में सक्षम था, नए पदार्थ ने लगभग पूरी डाई को नष्ट कर दिया। दृश्यमान प्रकाश के तहत केवल बीस मिनट में, इस नई सामग्री ने 99.9 प्रतिशत की क्षरण दक्षता (डिग्रेडेशन एफिशिएंसी) हासिल की। शोधकर्ता इस सफलता का श्रेय कई कारकों को देते हैं: सामग्री की विस्तृत रेंज के प्रकाश को अवशोषित करने की क्षमता, बिस्मथ सल्फाइड चरण का निर्माण जो इलेक्ट्रॉनों के लिए एक ट्रैप के रूप में कार्य करता है, और विद्युत आवेशों का कुशल पृथक्करण जो सफाई की प्रक्रिया को संचालित करता है।

अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि तत्वों का यह विशिष्ट संयोजन एक अत्यंत प्रभावी फोटोकैटलिस्ट बनाता है। फास्फोरस, बिस्मथ और जिरकोनियम के साथ संरचना को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री विकसित की जो न केवल प्रकाश को अधिक प्रभावी ढंग से अवशोषित करती है, बल्कि कैप्चर की गई ऊर्जा को लंबे समय तक सक्रिय भी रखती है। यह इसे प्रदूषकों को तेजी से नष्ट करने के लिए आवश्यक रिएक्टिव स्पीशीज उत्पन्न करने की अनुमति देता है। यह कार्य दर्शाता है कि इन नैनोमटेरियल्स की परमाणु संरचना को समझकर और उसमें हेरफेर करके, पर्यावरण सुधार के लिए शक्तिशाली उपकरण बनाना संभव है, जो सूर्य की शक्ति से संचालित स्वच्छ जल समाधानों की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।