Development of nanocrystalline Sr12Al14O33 and Ca12Al14O33 soot oxidation catalysts

जब भी एक डीजल इंजन चलता है, तो वह अपने पीछे कालिख के सूक्ष्म, काले कार्बन कण छोड़ जाता है जिन्हें सोट (soot) कहा जाता है। ये कण केवल एक परेशानी मात्र नहीं हैं; वे एक महत्वपूर्ण स्वास्थ्य खतरा और एक प्रमुख पर्यावरणीय प्रदूषक भी हैं। हमारी हवा को स्वच्छ रखने के लिए, आधुनिक वाहन वायुमंडल में निकलने से पहले इस सोट को जलाने के लिए फिल्टर और उत्प्रेरकों (catalysts) के संयोजन का उपयोग करते हैं। उत्प्रेरक एक रासायनिक चिंगारी की तरह कार्य करते हैं, जो कार्बन को ऑक्सीजन के साथ कम तापमान पर प्रतिक्रिया करने में मदद करते हैं, जितना कि वह अपने आप में करता। दशकों से, वैज्ञानिक इस काम को करने के लिए प्लेटिनम जैसी महंगी कीमती धातुओं पर निर्भर रहे हैं, लेकिन इन धातुओं की उच्च लागत और सीमित आपूर्ति ने शोधकर्ताओं को सस्ते, अधिक प्रचुर विकल्पों की तलाश करने के लिए प्रेरित किया है। चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने की है जो न केवल सस्ती हो बल्कि जिसमें ऑक्सीजन को पकड़ने और उसे कुशलतापूर्वक सोट को सौंपने की विशिष्ट रासायनिक क्षमता भी हो।

रूस में बोरेस्कव इंस्टीट्यूट ऑफ कैटालिसिस के शोधकर्ताओं की एक टीम एक ऐसे समाधान पर काम कर रही है जिसमें मेनाइट (mayenite) नामक सामग्रियों के एक परिवार का उपयोग शामिल है। ये कैल्शियम, एल्युमीनियम और ऑक्सीजन के जटिल मिश्रण हैं जिनमें एक अनूठी, पिंजरे जैसी संरचना होती है। इन सूक्ष्म पिंजरों के भीतर, यह सामग्री ऑक्सीजन के विशेष रूपों को थामे रख सकती है जो अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं। इन फंसे हुए ऑक्सीजन परमाणुओं को उच्च तत्परता की स्थिति में होने के रूप में सोचें, जो प्रतिक्रिया करने के लिए उत्सुक हों। हालांकि वैज्ञानिक इन सामग्रियों के बारे में लंबे समय से जानते हैं, लेकिन उन्हें व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उपयोग करना कठिन रहा है क्योंकि उन्हें बनाने की पारंपरिक विधियों के लिए अत्यधिक उच्च ताप की आवश्यकता होती है। यह तीव्र ऊष्मा सामग्री को बड़े, ठोस टुकड़ों में आपस में चिपका देती है जिससे सतह का क्षेत्रफल बहुत कम हो जाता है, जो उन्हें अप्रभावी बना देता है। इस नए अध्ययन का लक्ष्य इन सामग्रियों को बहुत ही सौम्य परिस्थितियों में, सूक्ष्म रूप से विभाजित और छिद्रपूर्ण (porous) रूप में बनाने का तरीका खोजना था, और यह देखना था कि क्या स्ट्रोंटियम-आधारित संस्करण पारंपरिक कैल्शियम-आधारित संस्करण की तुलना में और भी बेहतर काम कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों को बनाने के विभिन्न तरीकों का परीक्षण किया, जिसकी शुरुआत विभिन्न रासायनिक पाउडर को पीसने या तरल घोलों में मिलाने वाली विधियों से हुई। उन्होंने इन मिश्रणों को मध्यम से लेकर बहुत उच्च तापमान तक गर्म करने का प्रयास किया। हालाँकि, इनमें से अधिकांश दृष्टिकोण वांछित परिणाम देने में विफल रहे। मिश्रण या तो कम तापमान पर सही क्रिस्टल संरचना नहीं बना पाए, या उन्होंने सही संरचना तो बनाई लेकिन आवश्यक तापमान तक गर्म करने पर वे लगभग बिना किसी सतह क्षेत्र वाले बड़े, घने ढेलों के रूप में बन गए। एक विधि, जिसमें धातु नाइट्रेटों को कार्बनिक अम्लों के साथ मिलाया गया था, विशेष रूप से कठिन सिद्ध हुई क्योंकि इसमें लक्षित सामग्री के बजाय अवांछित कार्बोनेट यौगिक बनने की प्रवृत्ति थी। टीम ने पाया कि सबसे सफल दृष्टिकोण आश्चर्यजनक रूप से सरल था: उन्होंने ताज़ा बने कैल्शियम ऑक्साइड या स्ट्रोंटियम ऑक्साइड को लिया और उन्हें पानी में एल्युमीनियम हाइड्रॉक्साइड के निलंबन (suspension) के साथ मिलाया। इस अभिक्रिया ने एक गीला पेस्ट बनाया, जिसे सुखाने और अपेक्षाकृत कम तापमान 600 डिग्री सेल्सियस पर गर्म करने पर, वांछित नैनोक्रिस्टलाइन मेनाइट संरचना में बदल दिया गया।

परिणामस्वरूप प्राप्त सामग्रियां पुरानी विधियों से बनी सामग्रियों से काफी भिन्न थीं। घने और निष्क्रिय होने के बजाय, ये नए नमूने छिद्रपूर्ण थे और उनमें एक विशाल आंतरिक सतह क्षेत्र था, जिसमें कैल्शियम संस्करण ने 80 वर्ग मीटर प्रति ग्राम और स्ट्रोंटियम संस्करण ने 68 वर्ग मीटर प्रति ग्राम तक की प्राप्ति की। यह उच्च सतह क्षेत्र महत्वपूर्ण है क्योंकि यह रासायनिक प्रतिक्रियाओं के होने के लिए अधिक स्थान प्रदान करता है। यह समझने के लिए कि इन सामग्रियों के भीतर क्या हो रहा है, वैज्ञानिकों ने इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक रेजोनेंस नामक तकनीक का उपयोग किया, जो अनपेयर्ड इलेक्ट्रॉनों (unpaired electrons) के लिए एक संवेदनशील डिटेक्टर की तरह कार्य करता है। उन्होंने पाया कि हवा में नमूनों को गर्म करने के बाद, सतह सक्रिय ऑक्सीजन रेडिकल्स से भरी हुई थी। ये ऑक्सीजन परमाणु हैं जिनमें एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन होता है, जो उन्हें अत्यधिक अस्थिर और प्रतिक्रिया करने के लिए उत्सुक बनाता है। स्ट्रोंटियम-आधारित नमूने ने कैल्शियम संस्करण की तुलना में सक्रिय रेडिकल्स की उच्च सांद्रता दिखाई, जिससे पता चलता कि स्ट्रोंटियम संरचना के बड़े पिंजरे ने ऑक्सीजन को अधिक स्वतंत्र रूप से घूमने और अधिक सक्रिय होने की अनुमति दी।

इन सामग्रियों का वास्तविक परीक्षण तब हुआ जब शोधकर्ताओं ने डीजल सोट को जलाने के लिए इनका उपयोग किया। उन्होंने उत्प्रेरक की एक छोटी मात्रा को डीजल सोट के साथ मिलाया और मिश्रण को हवा के प्रवाह में गर्म किया, जिसमें कार्बन मोनोऑक्साइड के निकलने को सोट जलने के संकेत के रूप में मापा गया। एक मानक एल्युमीनियम ऑक्साइड सामग्री, जिसे आधार रेखा (baseline) के रूप में उपयोग किया गया था, को इस प्रक्रिया को शुरू करने के लिए 620 डिग्री सेल्सियस के तापमान की आवश्यकता थी। इसके विपरीत, कैल्शियम-आधारित उत्प्रेरक ने 320 डिग्री पर काम करना शुरू कर दिया और 480 डिग्री पर अपनी चरम गतिविधि तक पहुँच गया। स्ट्रोंटियम-आधारित उत्प्रेरक ने और भी बेहतर प्रदर्शन किया, जो केवल 280 डिग्री पर प्रतिक्रिया करना शुरू कर गया और 440 डिग्री पर अपने शिखर पर पहुँचा। तापमान में यह महत्वपूर्ण गिरावट का अर्थ है कि उत्प्रेरक उत्सर्जन को साफ करने में बहुत अधिक कुशल है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि स्ट्रोंटियम नमूने का बेहतर प्रदर्शन संभवतः इसकी व्यापक क्रिस्टल संरचना के कारण है, जो सक्रिय ऑक्सीजन प्रजातियों को आसानी से घूमने और सोट कणों तक तेज़ी से पहुँचने की अनुमति देती है।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि महंगी उत्कृष्ट धातुओं (noble metals) का उपयोग किए बिना अत्यधिक प्रभावी सोट-ऑक्सीकरण उत्प्रेरक बनाना संभव है। मध्यम तापमान पर इन सामग्रियों को संश्लेषित करने का एक सरल तरीका खोजकर, शोधकर्ताओं ने नैनोक्रिस्टलाइन मेनाइट और इसके स्ट्रोंटियम एनालॉग को पर्यावरणीय सुरक्षा के लिए व्यावहारिक उपकरण के रूप में उपयोग करने का मार्ग प्रशस्त किया है। स्ट्रोंटियम संस्करण, विशेष रूप से, भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में खड़ा है, जो डीजल इंजनों से हानिकारक उत्सर्जन को कम करने के लिए एक लागत प्रभावी और शक्तिशाली तरीका प्रदान करता है। यह कार्य पुष्टि करता है कि इन सामग्रियों की सक्रिय ऑक्सीजन प्रजातियों को होस्ट करने और उन्हें गतिशील बनाने की अनूठी क्षमता उन्हें सोट प्रदूषण की निरंतर समस्या से निपटने के लिए आदर्श बनाती है।