Catalytic dehydration of fructose to 5-HMF by a lignin-derived carbon solid acid catalyst modified by non-thermal plasma
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि नॉन-थर्मल प्लाज्मा ग्राफ्टिंग द्वारा संशोधित एक लिग्निन-व्युत्पन्न कार्बन सॉलिड एसिड उत्प्रेरक (LDSA-COOH), एक DMSO/जल द्वि-चरणीय प्रणाली में उच्च प्राप्ति और स्थिरता के साथ फ्रक्टोज के 5-HMF में निर्जलीकरण को कुशलतापूर्वक उत्प्रेरित करता है, जो पारंपरिक तैयारी विधियों के लिए एक संधारणीय और ऊर्जा-कुशल विकल्प प्रदान करता है।
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एक सतत भविष्य के निर्माण की खोज में, वैज्ञानिक तेजी से प्रकृति के अपने अवशेषों की ओर मुड़ रहे हैं। पेट्रोलियम पर निर्भर रहने के बजाय, जो कि सीमित और प्रदूषणकारी है, शोधकर्ता बायोमास की ओर देख रहे हैं—जैसे लकड़ी, घास और फसल के अवशेष जैसे पादप पदार्थ। ये सामग्रियां शर्करा और कार्बन से समृद्ध हैं, जो ईंधन, प्लास्टिक और दवाओं के लिए मौलिक निर्माण खंड हैं। एक विशिष्ट अणु, जिसे 5-हाइड्रॉक्सीमिथाइलफुरफुरल या 5-HMF के रूप में जाना जाता है, इस संक्रमण में एक महत्वपूर्ण सेतु के रूप में उभरता है। यह एक बहुमुखी रासायनिक मंच है जिसे उत्पादों की एक विस्तृत श्रृंखला में बदला जा सकता है। हालांकि, 5-HMF बनाना अत्यंत कठिन है। इस प्रक्रिया के लिए आमतौर पर कठोर परिस्थितियों, जहरीले रसायनों और उच्च ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर एक अव्यवधर प्रतिक्रिया होती है जहाँ वांछित उत्पाद कचरे में खो जाता है या एकत्र करने से पहले ही नष्ट हो जाता है। चुनौती इस बात में निहित है कि पौधों की शर्करा को कुशलतापूर्वक, स्वच्छता से और इस नाजुक अणु को नष्ट किए बिना, इस उपयोगी रूप में कैसे प्रेरित किया जाए।
चीन के चांगझोऊ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) विकसित करके इस समस्या का समाधान किया है, जो एक ऐसा पदार्थ है जो स्वयं उपभोग हुए बिना रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करता है। उनका दृष्टिकोण लिग्निन का उपयोग करना है, जो पौधों की कोशिका भित्तियों में पाया जाने वाला एक कठोर, प्राकृतिक बहुलक है जिसे अक्सर कचरे के रूप में छोड़ दिया जाता है, और इसे एक ठोस एसिड उत्प्रेरक में बदलना है। पारंपरिक रूप से, ऐसे उत्प्रेरकों को बनाने में सामग्रियों को उच्च तापमान पर मजबूत, खतरनाक अम्लों में भिगोना शामिल होता है, जो एक ऊर्जा-गहन और पर्यावरण के लिए हानिकारक प्रक्रिया है। शोधकर्ता एक अधिक सौम्य, सटीक विधि चाहते थे। उन्होंने नॉन-थर्मल प्लाज्मा की ओर रुख किया, जो एक ऐसी तकनीक है जो सामग्री को जलाने तक गर्म किए बिना, सतहों को संशोधित करने के लिए ऊर्जावान कणों के बादल का उपयोग करती है। इस "कोल्ड" प्लाज्मा का उपयोग करके, उनका लक्ष्य लिग्निन-व्युत्पन्न कार्बन पर विशिष्ट रासायनिक समूहों को ग्राफ्ट करना था, जिससे प्रभावी रूप से उस अपशिष्ट सामग्री को फलों की शर्करा को 5-HMF में बदलने के लिए एक अत्यधिक कुशल उपकरण में बदला जा सके।
प्रक्रिया की शुरुआत मक्का के डंठल से हुई, जो एक सामान्य कृषि अवशेष है। शोधकर्ताओं ने इन डंठलों से लिग्निन निकाला और फिर इसे एक भट्टी में गर्म करके इसे एक छिद्रपूर्ण कार्बन सामग्री में बदल दिया। इस कार्बन ने उनके नए उत्प्रेरक के रूप में एक कंकाल (स्केलेटन) के रूप में कार्य किया। इसके बाद प्लाज्मा उपचार आया। टीम ने कार्बन को एक वैक्यूम चैंबर में रखा और सतह पर सक्रिय स्थल बनाने के लिए ऑक्सीजन पेश की। फिर, उन्होंने ऐक्रेलिक एसिड पेश किया, जो एक सरल अणु है जिसमें एक प्रतिक्रियाशील डबल बॉन्ड और एक अम्लीय समूह होता है। प्लाज्मा के प्रभाव में, ऐक्रेलिक एसिड के अणु टूट गए और खुद को कार्बन की सतह पर फिर से जोड़ लिया, जिससे प्रभावी रूप से उस सामग्री को हजारों छोटे अम्लीय स्थलों के साथ "पेंट" कर दिया गया। यह चरण महत्वपूर्ण था क्योंकि ये नए स्थल वे "हाथ" हैं जो शर्करा के अणुओं को पकड़ते हैं और उन्हें वांछित आकार में निर्देशित करते हैं। शोधकर्ताओं ने सबसे प्रभावी उत्प्रेरक खोजने के लिए, जिसे उन्होंने LDSA-COOH नाम दिया, ऐक्रेलिक एसिड की विभिन्न सांद्रता और उपचार के विभिन्न समय का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि छह मिनट के लिए 60% सांद्रता वाले ऐक्रेलिक एसिड का उपयोग करने से सबसे प्रभावी उत्प्रेरक बना।
यह समझने के लिए कि सामग्री के साथ क्या हुआ है, टीम ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और स्पेक्ट्रोस्कोपिक उपकरणों का उपयोग करके इसका बारीकी से परीक्षण किया। उन्होंने देखा कि प्लाज्मा उपचार ने कार्बन की सतह को खुरदरा कर दिया था, जिससे एक ऐसी बनावट बनी जो बिना उपचार वाली सामग्री के चिकने, सपाट टुकड़ों से भिन्न थी। रासायनिक विश्लेषण ने पुष्टि की कि सतह अब कार्बोक्सिलिक एसिड समूहों से ढकी हुई थी, जो उस प्रतिक्रिया को चलाने के लिए आवश्यक स्थल थे। शोधकर्ताओं ने नई सामग्री की अम्लता को भी मापा और पाया कि कच्चे कार्बन की तुलना में इसमें नाटकीय रूप से वृद्धि हुई है। इसने पुष्टि की कि प्लाज्मा ग्राफ्टिंग ने सफलतापूर्वक उत्प्रेरक को अपना काम करने के लिए आवश्यक रासायनिक उपकरणों से लोड कर दिया था। सामग्री केवल एक निष्क्रिय आधार नहीं थी; यह अब रासायनिक परिवर्तन में एक सक्रिय भागीदार थी।
उत्प्रेरक तैयार होने के बाद, टीम मुख्य कार्यक्रम की ओर बढ़ी: फ्रक्टोज, जो फलों में पाया जाने वाला एक सरल शर्करा है, को 5-HMF में बदलना। उन्होंने शर्करा, नए उत्प्रेरक और पानी तथा डाइमिथाइल सल्फ़ोक्साइड के मिश्रण (एक विलायक जो नाजुक अणुओं को स्थिर करने की क्षमता के लिए जाना जाता है) को मिलाया। मिश्रण को एक दबावयुक्त रिएक्टर में गर्म किया गया। परिणाम आश्चर्यजनक थे। 180 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, उत्प्रेरक ने तीस मिनट के भीतर लगभग पूरी फ्रक्टोज को उत्पादों में परिवर्तित कर दिया। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इसने 85.7% की पैदावार के साथ 5-HMF का उत्पादन किया, जो इस प्रकार की प्रतिक्रिया के लिए एक बहुत उच्च दक्षता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि विलायक का चुनाव महत्वपूर्ण था; इस विशिष्ट मिश्रण के बिना, 5-HMF जल्दी ही बेकार उपोत्पादों में टूट जाता। हालाँकि, नया उत्प्रेरक उत्पाद की रक्षा करने और पैदावार को अधिकतम करने के लिए विलायक के साथ सामंज्य में काम करता है।
किसी भी औद्योगिक उत्प्रेरक का वास्तविक परीक्षण यह है कि क्या इसे अपनी शक्ति खोए बिना बार-बार उपयोग किया जा सकता है। कई ठोस उत्प्रेरक जल्दी खराब हो जाते हैं या गंदगी से भर जाते हैं, जिससे उन्हें फेंकने के लिए मजबूर होना पड़ता है। शोधकर्ताओं ने अपने नए उत्प्रेरक को पांच लगातार चक्रों के उपयोग के माध्यम से परखा। प्रत्येक रन के बाद, उन्होंने ठोस उत्प्रेरक को बाहर निकाला, उसे धोया और अगले बैच के लिए सुखाया। पांच बार उपयोग के बाद भी, उत्प्रेरक ने अपनी अधिकांश प्रभावशीलता बनाए रखी। शर्करा का रूपांतरण उच्च बना रहा, और 5-HMF की पैदावार में केवल मामूली गिरावट आई। यह स्थायित्व बताता है कि अम्लीय समूह कार्बन की सतह से मजबूती से जुड़े हुए थे और प्रतिक्रिया के दौरान बह नहीं गए। यह सामग्री एक ऐसी लचीलापन प्रदर्शित करती है जो किसी भी ऐसी प्रक्रिया के लिए आवश्यक है जो प्रयोगशाला से वास्तविक दुनिया के कारखाने तक पहुँचने की आशा रखती है।
यह कार्य ठोस एसिड उत्प्रेरकों को बनाने के पारंपरिक तरीकों के लिए एक आशाजनक विकल्प प्रदान करता है। नॉन-थर्मल प्लाज्मा का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने सल्फोनेशन रसायनों की आवश्यकता और अत्यधिक गर्मी से बचा, जो अक्सर बायोमास-व्युत्पन्न सामग्रियों की नाजुक संरचना को नुकसान पहुँचाती है। इसके बजाय, उन्होंने एक अपशिष्ट उत्पाद को संशोधित करने के लिए एक सटीक, कम-ऊर्जा प्रक्रिया का उपयोग किया, जिससे वह एक उच्च-प्रदर्शन उपकरण बन गया। यह अध्ययन दर्शाता है कि खतरनाक औद्योगिक प्रक्रियाओं पर निर्भर किए बिना नवीकरणीय संसाधनों से कुशल, पुन: प्रयोज्य उत्प्रेरक बनाना संभव है। हालांकि यह तकनीक अभी भी अनुसंधान के चरण में है, परिणाम आधुनिक जीवन के आधारभूत रसायनों के उत्पादन के लिए एक स्वच्छ, अधिक टिकाऊ तरीके की ओर एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। कृषि अपशिष्ट को एक सटीक रासायनिक उपकरण में बदलने की क्षमता, जो एक ऐसी विधि का उपयोग करती है जो सौम्य और प्रभावी दोनों है, एक जैव-आधारित अर्थव्यवस्था की ओर एक महत्वपूर्ण कदम है।
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