Engineering Bi2O3/g-C3N4 and ZnO/g-C3N4 Heterojunctions for Efficient Visible-Light-Driven Photocatalytic Degradation of Organic Pollutants
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि Bi₂O₃/g-C₃N₄ और ZnO/g-C₃N₄ हेटरोजंक्शनों का संश्लेषण, शुद्ध g-C₃N₄ की तुलना में प्रकाश अवशोषण में सुधार करके और चार्ज वाहक पुनर्संयोजन को दबाकर, मिथाइल ऑरेंज और मिथाइलीन ब्लू के दृश्य-प्रकाश-संचालित फोटोकैटलिटिक क्षरण को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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पानी हमारे ग्रह का जीवन रक्त है, फिर भी यह आधुनिक उद्योग के रंगीन कचरे से तेजी से घुट रहा है। कपड़ा कारखाने, प्रिंटिंग प्रेस और फार्मास्युटिकल संयंत्र नदियों और झीलों में भारी मात्रा में सिंथेटिक रंगों का उत्सर्जन करते हैं। ये पदार्थ न केवल देखने में अप्रिय हैं; वे जिद्दी विषाक्त पदार्थ हैं जो जलीय पौधों तक सूर्य के प्रकाश को पहुँचने से रोकते हैं और जलीय जीवन एवं मानव स्वास्थ्य को नुकसान पहुँचा सकते हैं। इस पानी को साफ करने की पारंपरिक विधियाँ, जैसे कि फिल्टर करना या बैक्टीरिया का उपयोग करना, अक्सर इन जटिल रासायनिक संरचनाओं को तोड़ने में संघर्ष करती हैं। इसके जवाब में, वैज्ञानिकों ने फोटोकैटलिसिस (photocatalysis) नामक एक प्रक्रिया की ओर रुख किया है, जो प्रदूषकों को नष्ट करने के लिए रासायनिक प्रतिक्रिया को सक्रिय करने हेतु प्रकाश का उपयोग करती है। एक ऐसी सामग्री की कल्पना करें जो एक सौर-संचालित इंजन की तरह कार्य करती है, जो सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके अदृश्य, अत्यधिक प्रतिक्रियाशील कण उत्पन्न करती है जो डाई अणुओं को तब तक तोड़ते रहते हैं जब तक कि वे हानिरहित पानी और कार्बन डाइऑक्साइड में नहीं बदल जाते। इसके कुशलतापूर्वक कार्य करने के लिए, सामग्री में प्रकाश की एक विस्तृत श्रृंखला को पकड़ने और ऊर्जा को अपना काम करने से पहले बह जाने से रोकने की क्षमता होनी चाहिए।
सेन्स मलयेशिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ता एक विशिष्ट प्रकार के प्लास्टिक जैसे अर्धचालक (semiconductor) को धातु ऑक्साइड के साथ मिलाकर इन प्रकाश-संचालित क्लीनर को बेहतर बनाने पर काम कर रहे हैं। जिस आधार सामग्री से उन्होंने शुरुआत की वह ग्रेफाइटिक कार्बन नाइट्राइड है, जो एक स्थिर, गैर-विषाक्त और दृश्य प्रकाश को अवशोषित करने में सक्षम पदार्थ है, लेकिन इसमें एक दोष है: यह जो ऊर्जा पकड़ता है वह बहुत जल्दी स्वयं को रद्द कर देती है। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने इसे बिस्मथ ऑक्साइड और जिंक ऑक्साइड नामक दो अलग-अलग धातु ऑक्साइडों के साथ मिलाया, जिससे नए हाइब्रिड सामग्रियां बनीं। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये संयोजन ऊर्जा के प्रवाह के लिए एक बेहतर मार्ग बना सकते हैं, जिससे सामग्री दो सामान्य मॉडल प्रदूषकों: मिथाइल ऑरेंज (एक ऋणायनी डाई) और मेथिलीन ब्लू (एक धनायनी डाई) को तोड़ने में सक्षम हो सके। अध्ययन का केंद्र दृश्य प्रकाश के तहत सफाई शक्ति को अधिकतम करने के लिए सामग्रियों के सटीक संतुलन को खोजना था।
टीम ने पहले आधार सामग्री, ग्रेफाइटिक कार्बन नाइट्राइड को बनाकर शुरुआत की, जिसे एक सामान्य रासायनिक अग्रदूत (precursor) को गर्म करके एक पीले पाउडर में परिवर्तित किया गया। फिर उन्होंने एक गीली विधि का उपयोग करके इस पाउडर को विभिन्न मात्राओं में बिसमथ ऑक्साइड और जिंक ऑक्साइड के साथ मिलाया, जिसके बाद घटकों को आपस में जोड़ने के लिए उन्हें गर्म किया गया। विभिन्न अनुपातों का परीक्षण करते हुए, उन्होंने पाया कि जोड़ा गया धातु ऑक्साइड की मात्रा अत्यंत महत्वपूर्ण थी। बिसमथ ऑक्साइड मिश्रण के लिए, सर्वोत्तम परिणाम तब मिले जब धातु ऑक्साइड कुल वजन का 18 प्रतिशत था। इस विशिष्ट स्तर पर, सामग्री प्रकाश को सबसे प्रभावी ढंग से अवशोषित करती है और ऊर्जा को व्यर्थ होने से रोकती है। इसी तरह, जिंक ऑक्साइड मिश्रण के लिए, 18 प्रतिशत लोडिंग सबसे उपयुक्त बिंदु साबित हुई। जब उन्होंने इन अनुकूलित मिश्रणों का शुद्ध आधार सामग्री के विरुद्ध परीक्षण किया, तो अंतर स्पष्ट था। शुद्ध सामग्री रंगों को तोड़ने के लिए संघर्ष करती थी, लेकिन नए कंपोजिट्स ने प्रदूषकों को नष्ट करने की अपनी क्षमता में नाटकीय सुधार दिखाया।
शोधकर्ताओं ने यह मापने के लिए कि ये नई सामग्रियां कितनी अच्छी तरह काम करती हैं, उन्हें रंगों के घोल में रखकर प्रकाश के संपर्क में लाया। उन्होंने पाया कि 18 प्रतिशत बिसमथ ऑक्साइड कंपोजिट पानी से लगभग 69 प्रतिशत मिथाइल ऑरेंज को हटा सकता है। 18 प्रतिशत जिंक ऑक्साइड कंपोजिट लगभग उतना ही अच्छा प्रदर्शन करता है, जो लगभग 69 प्रतिशत मेथिलीन ब्लू को नष्ट करता है। ये परिणाम व्यक्तिगत घटकों द्वारा अकेले हासिल किए जा सकने वाले परिणामों से कहीं बेहतर थे। सफलता इस बात पर निर्भर थी कि दोनों सामग्रियां एक-दूसरे को किस विशिष्ट तरीके से छूती हैं। जब प्रकाश मिश्रण से टकराता है, तो यह धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों के जोड़े बनाता है। शुद्ध सामग्री में, ये आवेश जल्दी से एक-दूसरे को ढूंढ लेते हैं और बिना कोई काम किए गायब हो जाते हैं। हालांकि, नए कंपोजिट्स में, दो सामग्रियों के बीच का इंटरफेस (interface) एक मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है, जो आवेशों को अलग-अलग दिशाओं में निर्देशित करता है ताकि वे डाई अणुओं पर हमला करने के लिए पर्याप्त समय तक जीवित रह सकें।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके निष्कर्ष व्यावहारिक हों, टीम ने उन स्थितियों की भी जांच की जिनमें सफाई होती है। उन्होंने पाया कि पानी में डाले गए उत्प्रेरक (catalyst) की मात्रा महत्वपूर्ण थी। बहुत कम उपयोग करने का अर्थ था कि प्रकाश को पकड़ने के लिए पर्याप्त सक्रिय स्थल नहीं थे, जबकि बहुत अधिक उपयोग करने से कण आपस में गुच्छे बन जाते थे और घोल के गहरे हिस्सों तक प्रकाश पहुँचने से रोक देते थे। आदर्श मात्रा ठीक 1.0 ग्राम प्रति लीटर थी। उन्होंने यह भी देखा कि पानी की अम्लता (acidity) इस प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करती है। दोनों प्रकार के रंगों के लिए, सफाई तब सबसे अच्छी रही जब पानी तटस्थ (neutral) के करीब था, न तो बहुत अधिक अम्लीय और न ही बहुत अधिक क्षारीय। इन स्थितियों में, डाई अणु उत्प्रेरक की सतह से बस इतने समय तक चिपक सकते थे कि उन्हें तोड़ा जा सके। यदि पानी बहुत अधिक अम्लीय या बहुत अधिक क्षारीय होता, तो उत्प्रेरक की सतह पर मौजूद विद्युत आवेश डाई अणुओं को प्रतिकर्षित कर देते, जिससे प्रतिक्रिया शुरू होने से रुक जाती।
अध्ययन बताता है कि ये सामग्रियां किस तरह से कार्य करती हैं, यह इस बात पर थोड़ा भिन्न होता है कि किस धातु ऑक्साइड का उपयोग किया गया है। जिंक ऑक्साइड मिश्रण के साथ, आवेश इस तरह से अलग होते हैं जो कुशल तो है लेकिन रासायनिक ऊर्जा के मामले में थोड़ा कम शक्तिशाली है। बिसमथ ऑक्साइड मिश्रण के साथ, व्यवस्था एक अधिक सीधा मार्ग बनाती है जो ऊर्जा की पूरी शक्ति को संरक्षित करती है, जिससे यह कठिन प्रदूषकों को तोड़ने के लिए विशेष रूप से प्रभावी हो जाता है। शोधकर्ताओं ने यह पुष्टि करने के लिए कि ऊर्जा का उपयोग किया जा रहा है, सामग्रियों के प्रकाश अवशोषण और उत्तेजित होने पर उनकी चमक (glow) का अवलोकन किया, जो इंगित करता था कि ऊर्जा का उपयोग ऊष्मा के रूप में नष्ट होने के बजाय रसायन विज्ञान के लिए किया जा रहा है। हालांकि इन सामग्रियों ने एक ही चरण में रंगों को पूरी तरह से समाप्त नहीं किया, लेकिन मौजूदा विधियों की तुलना में महत्वपूर्ण सुधार हमारे जल आपूर्ति से निरंतर औद्योगिक प्रदूषकों को हटाने के लिए एक आशाजनक दिशा को उजागर करता है। ये निष्कर्ष बताते हैं कि इन प्रकाश-संचालित क्लीनर्स की संरचना को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, हमारे जल स्रोतों से स्थायी औद्योगिक प्रदूषकों को हटाने के लिए कुशल, कम लागत वाले उपकरण बनाना संभव है।
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