Mn-Co-Ce composite oxides for the low-temperature catalytic oxidation of formaldehyde
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि Mn-Co-Ce मिश्रित ऑक्साइड उत्प्रेरक, विशेष रूप से साइट्रिक एसिड सोल-जेल विधि के माध्यम से संश्लेषित Mn3.5Co1Ce1 वेरिएंट, स्पिनल ठोस विलयन (spinel solid solution) निर्माण, पदानुक्रमित सरंध्रता (hierarchical porosity) और प्रचुर सतह ऑक्सीजन रिक्तियों के सहक्रियात्मक प्रभाव के माध्यम से अत्यधिक कुशल निम्न-तापमान फॉर्मलाडेहाइड ऑक्सीकरण और खनिजीकरण प्राप्त करते हैं।
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फॉर्मेल्डिहाइड एक रंगहीन गैस है जिसका सामना कई लोग दैनिक रूप से करते हैं, अक्सर बिना यह महसूस किए। यह फर्नीचर, निर्माण सामग्री और घरेलू उत्पादों से घरों में रिसता है, और प्रारंभिक स्रोत के जाने के बहुत बाद तक हवा में बना रहता है। हालांकि यह अदृश्य है, फिर भी यह मानव स्वास्थ्य के लिए एक गंभीर खतरा पैदा करता है, जो लिवर और तंत्रिका तंत्र को नुकसान पहुँचाने में सक्षम है, और इसे कैंसर का एक ज्ञात कारण माना गया है। दशकों से, वैज्ञानिक इसे कुशलतापूर्वक घर के अंदर की हवा से निकालने का तरीका खोजने का प्रयास कर रहे हैं। पारंपरिक तरीके जैसे भौतिक फिल्टर अक्सर इस गैस को केवल अस्थायी रूप से ही रोक पाते हैं, जबकि अन्य तकनीकों में बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है या वे स्वयं प्रदूषण उत्पन्न करती हैं। सबसे आशाजनक समाधान में 'कैटेलिटिक ऑक्सीडेशन' (उत्प्रेरक ऑक्सीकरण) नामक एक प्रक्रिया शामिल है, जो एक रासायनिक फिल्टर की तरह कार्य करती है जो हानिकारक गैस को हानिरहित पानी और कार्बन डाइऑक्साइड में बदल देती है। हालांकि, इस प्रक्रिया को घर के भीतर पाए जाने वाले कम तापमान पर प्रभावी ढंग से काम करने लायक बनाना एक कठिन चुनौती रही है, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि सबसे अच्छे उत्प्रेरक अक्सर प्लेटिनम जैसे दुर्लभ और महंगे धातुओं पर निर्भर होते हैं।
चीन ऑटोमोटिव टेक्नोलॉजी एंड रिसर्च सेंटर और झेंग्झौ यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन तीन सामान्य और सस्ते धातुओं का उपयोग करके इस समस्या को हल करने के लिए एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है। उन्होंने मैंगनीज, कोबाल्ट और सीरियम को मिलाकर उत्प्रेरकों की एक श्रृंखला बनाई, जो तीन ऐसे तत्व हैं जो प्रचुर मात्रा में और किफायती हैं। 'सोल-जेल प्रक्रिया' नामक एक विधि का उपयोग करते हुए, जिसमें एक तरल मिश्रण को जेल में बदलकर फिर उसे पकाया जाता है, उन्होंने एक ऐसी सामग्री तैयार की जिसकी आंतरिक संरचना अद्वितीय है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या इन तीन विशिष्ट धातुओं को मिलाने से एक ऐसा उत्प्रेरक बनाया जा सकता है जो कमरे के तापमान या उससे थोड़ा ऊपर फॉर्मेल्डिहाइड को तोड़ने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली हो, बिना उस उच्च ऊष्मा की आवश्यकता के जो आमतौर पर इन प्रतिक्रियाओं को संभव बनाती है।
शोधकर्ताओं ने इन धातुओं के विभिन्न संयोजनों का परीक्षण किया ताकि धातुओं के सही संतुलन का पता लगाया जा सके। उन्होंने पाया कि जब उन्होंने धातुओं को एक विशिष्ट अनुपात में मिलाया, तो परिणामी सामग्री एक ऐसी संरचना बनी जिसने पूरी तरह से कठोर होने के बजाय थोड़ी अव्यवस्थित रूप धारण किया, जो कि एक प्रमुख लाभ साबित हुआ। इस मामूली अव्यवस्था ने सामग्री की सतह पर कई सूक्ष्म अंतराल और दोष पैदा किए, जो सक्रिय स्थलों (एक्टिव साइट्स) के रूप में कार्य करते हैं जहाँ फॉर्मेल्डिहाइड के अणु पकड़ बना सकते हैं और प्रतिक्रिया कर सकते हैं। विभिन्न मिश्रणों में से, एक विशिष्ट संयोजन सबसे अलग रहा: एक उत्प्रेरक जिसमें मैंगनीज, कोबाल्ट और सीरियम का ऐसा अनुपात था जहाँ मैंगनीज सबसे प्रचुर मात्रा में था। इस विशेष नमूने को, जिसे टीम ने Mn3.5Co1Ce1 नाम दिया, में छिद्रों का एक जटिल, स्पंज जैसा नेटवर्क था जो हवा को आसानी से बहने देता है जबकि रासायनिक प्रतिक्रिया होने के लिए सतह के एक विशाल क्षेत्र को उजागर करता है।
जब उन्होंने इस नए उत्प्रेरक का परीक्षण किया, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। केवल 60 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, जो गर्म तो है लेकिन बहुत अधिक नहीं, उत्प्रेरक ने हवा में मौजूद फॉर्मेल्डिहाइड के 60 प्रतिशत से अधिक हिस्से को हानिरहित पदार्थों में परिवर्तित कर दिया। जैसे ही तापमान बढ़कर 120 डिग्री सेल्सियस हुआ, उत्प्रेरक और भी प्रभावी हो गया, जिससे 100 प्रतिशत फॉर्मेल्डिहाइड हट गया और पीछे केवल स्वच्छ हवा बची। यह प्रदर्शन केवल दो धातुओं से बने उत्प्रेरकों या इन तीन धातुओं के विभिन्न अनुपातों वाले उत्प्रेरकों की तुलना में काफी बेहतर था। इस विशिष्ट मिश्रण की सफलता इन तीन तत्वों के बीच एक शक्तिशाली टीम वर्क प्रभाव से आई। मैंगनीज और कोबाल्ट मिलकर एक स्थिर ढांचा बनाने के लिए काम करते हैं, जबकि सीरियम ऑक्सीजन रिक्तियों (ऑक्सीजन वेकेंसीज़) की एक उच्च संख्या उत्पन्न करने में मदद करता है—जो सतह पर छोटे खाली स्थान होते हैं जो हवा से ऑक्सीजन को पकड़ने और फॉर्मेल्डिहाइड के अणुओं को तोड़ने के लिए उपयोग करने हेतु महत्वपूर्ण हैं।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह नई सामग्री वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए व्यावहारिक है, शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि क्या यह समय के साथ जल्दी घिस जाएगी या अपनी शक्ति खो देगी। उन्होंने उच्च तापमान पर उपयोग के पांच लगातार चक्रों के माध्यम से उत्प्रेरक का परीक्षण किया, और इसने अपनी मूल प्रभावशीलता को लगभग पूरी तरह से बनाए रखा, जिसमें गिरावट का कोई संकेत नहीं दिखा। उन्होंने दस घंटे का एक दीर्घकालिक परीक्षण भी चलाया, जिसके दौरान उत्प्रेरक ने उच्च स्तर का प्रदर्शन बनाए रखा, और अंत में केवल दक्षता में बहुत मामूली गिरावट देखी गई। यह स्थायित्व यह सुझाव देता है कि सामग्री घर के वातावरण में पाई जाने वाली हवा के निरंतर प्रवाह को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत है, जिसमें बार-बार बदलने की आवश्यकता नहीं होगी। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि इन तीन सामान्य धातुओं के अनुपात को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, घर के अंदर की हवा को साफ करने के लिए एक अत्यधिक कुशल, कम लागत वाला समाधान बनाया जा सकता है, जो महंगी कीमती धातुओं पर निर्भर हुए बिना फॉर्मेल्डिहाइड को हटाने का एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है।
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