MOF-derived S-scheme CuFe2O4/CuO/C heterojunctions with broad-spectrum response for efficient and stable tetracycline degradation

पानी हमारे ग्रह का जीवनरक्त है, फिर भी यह तेजी से आधुनिक जीवन के रासायनिक अवशेषों का एक भंडार बनता जा रहा है। इनमें सबसे अधिक स्थायी अवशेष टेट्रासाइक्लिन एंटीबायोटिक्स हैं, जो मानव चिकित्सा और पशुपालन में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले ड्रग्स हैं। क्योंकि ये अणु रासायनिक रूप से स्थिर होते हैं, वे पर्यावरण में आसानी से टूटते नहीं हैं। इसके बजाय, वे नदियों और झीलों में जमा हो जाते हैं, जहाँ वे पारिस्थितिक तंत्र के लिए खतरा पैदा करते हैं और एंटीबायोटिक प्रतिरोध के बढ़ते वैश्विक संकट में योगदान देते हैं। पारंपरिक जल उपचार विधियाँ अक्सर उन्हें पूरी तरह से हटाने में संघर्ष करती हैं। इसके जवाब में, वैज्ञानिकों ने फोटोकैटलिसिस नामक एक विधि की ओर रुख किया है, जो प्रकाश का उपयोग करके उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सक्रिय करता है जो प्रदूषकों को नष्ट कर देती हैं। चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने में है जो न केवल प्रकाश को पकड़ने और इन जिद्दी दवाओं को तोड़ने में प्रभावी हो, बल्कि इतनी टिकाऊ भी हो कि बिना टूटे या अपनी शक्ति खोए बार-बार उपयोग की जा सके।

चीन के कुजिंग नॉर्मल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया पदार्थ विकसित किया है जो इस प्रकार के प्रिकर्सर (पूर्ववर्ती) को एक अत्यधिक कुशल जल क्लीनर में बदलकर इन चुनौतियों का समाधान करता है। उन्होंने एक प्रिकर्सर से शुरुआत की जिसे प्रुशियन ब्लू एनालॉग (Prussian blue analogue) के रूप में जाना जाता है, जो एक प्रकार का क्रिस्टलीय पदार्थ है जिसका उपयोग अक्सर पिगमेंट और बैटरियों में किया जाता है, जिसमें तांबे और लोहे के परमाणु एक नियमित, ग्रिड जैसी संरचना में व्यवस्थित होते हैं। इस सामग्री को नियंत्रित तरीके से गर्म करके, शोधकर्ताओं ने इसे कॉपर आयरन ऑक्साइड, कॉपर ऑक्साइड और कार्बन के एक नेटवर्क के जटिल मिश्रण में बदल दिया। यह प्रक्रिया, जिसे वे 'वन-स्टेप कैल्सीनेशन' (एक-चरणीय कैल्सीनेशन) के रूप में वर्णित करते है, अनिवार्य रूप से प्रिकर्सर को तब तक पकाती है जब तक कि इसके भीतर के साइनाइड समूह एक प्रवाहकीय कार्बन ढांचे में विघटित नहीं हो जाते, जबकि धातु के परमाणु दो अलग-अलग ऑक्साइड चरणों में पुनर्गठित हो जाते हैं जो आपस में मजबूती से जुड़े होते हैं। परिणाम स्वरूप एक मिश्रित पदार्थ (कंपोजिट मटेरियल) प्राप्त होता है जो दृश्य प्रकाश के तहत पानी साफ करने के लिए एक शक्तिशाली इंजन के रूप में कार्य करता है।

शोधकर्ताओं ने इस नए पदार्थ का परीक्षण एक कृत्रिम सूर्य के प्रकाश स्रोत के तहत टेट्रासाइक्लिन युक्त घोल को उजागर करके किया। उन्होंने पाया कि यह सामग्री तब सबसे अच्छा काम करती है जब प्रिकर्सर को 40atures सेल्सियस पर गर्म किया जाता है। इस विशिष्ट तापमान पर, परिणामी कंपोजिट ने 80 मिनट के भीतर एंटीबायोटिक का उल्लेखनीय 95.9 प्रतिशत निष्कासन प्राप्त किया। यह प्रदर्शन कम या अधिक तापमान पर बनाए गए नमूनों की तुलना में काफी बेहतर था, जिससे पता चलता है कि ऑक्साइड की क्रिस्टलीय संरचना और शेष कार्बन सामग्री के बीच का संतुलन सफलता के लिए महत्वपूर्ण है। यह सामग्री टिकाऊ भी सिद्ध हुई; लगातार दस बार उपयोग किए जाने के बाद भी, इसने 90 प्रतिशत से अधिक एंटीबायोटिक को हटाया, जो यह दर्शाता है कि यह बार-बार उपयोग के दौरान खराब नहीं होती या अपनी संरचना नहीं खोती है। यह पानी की अम्लता के एक विस्तृत दायरे में भी प्रभावी रही, जो उन स्थितियों में भी अच्छी तरह से काम करती है जो कई अन्य उत्प्रेरकों (कैटलिस्ट) को कार्य करने से रोक सकती हैं।

यह समझने के लिए कि यह सामग्री इतनी अच्छी तरह से क्यों काम करती है, वैज्ञानिकों ने बारीकी से देखा कि प्रकाश पड़ने पर इसमें बिजली कैसे चलती है। उन्होंने पाया कि यह सामग्री 'एस-स्कीम हेटरोजंक्शन' (S-scheme heterojunction) नामक एक विशिष्ट तंत्र के माध्यम से संचालित होती है। सरल शब्दों में, सामग्री के भीतर दो अलग-अलग ऑक्साइड घटक प्रकाश से उत्पन्न होने वाले विद्युत आवेशों को अलग करने के लिए मिलकर काम करते हैं। एक घटक, कॉपर आयरन ऑक्साइड, उन इलेक्ट्रॉनों को थामे रखता है जो पानी में ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए तैयार होते हैं, जबकि दूसरा घटक, कॉपर ऑक्साइड, उन धनात्मक आवेशों को रखता है जो सीधे एंटीबायोटिक अणुओं पर हमला करते हैं। यह व्यवस्था आवेशों को एक-दूसरे को बहुत जल्दी रद्द करने से रोकती है, जिससे वे प्रदूषक को तोड़ने के लिए पर्याप्त समय तक सक्रिय रह सकते हैं। प्रयोगों ने पुष्टि की कि मुख्य रूप से सुपरऑक्साइड रेडिकल्स और पॉजिटिव होल्स (धनात्मक छिद्र) भारी काम कर रहे हैं, जबकि हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स की भूमिका बहुत छोटी है। यह विशिष्ट मार्ग सामग्री को मजबूत रासायनिक शक्ति बनाए रखने और प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक आवेशों को कुशलतापूर्वक अलग करने की अनुमति देता है।

शोधकर्ताओं ने एंटीबायोटिक के टूटने के मार्ग का भी पता लगाया। उन्नत मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग करते हुए, उन्होंने मध्यवर्ती चरणों की एक श्रृंखला की पहचान की जहाँ बड़े टेट्रासाइक्लिन अणु को धीरे-धीरे विघटित किया गया। इस प्रक्रिया में दवा की संरचना के मूल भाग बनाने वाले रिंग्स को तोड़ना, मिथाइल समूहों को हटाना और ऑक्सीजन परमाणुओं को जोड़ना शामिल था। अंततः, इन जटिल कार्बनिक अंशों को पानी, कार्बन डाइऑक्साइड और बुनियादी नाइट्रोजन यौगिकों जैसे सरल, हानिरहित पदार्थों में कम कर दिया गया। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि प्राकृतिक पानी में पाए जाने वाले सामान्य पदार्थों, जैसे कि सल्फेट, नाइट्रेट और क्लोराइड आयनों की उपस्थिति ने सफाई प्रक्रिया में महत्वपूर्ण रूप से बाधा नहीं डाली। हालाँकि, कुछ फॉस्फेट या ह्यूमिक एसिड की उपस्थिति में यह सामग्री कम प्रभावी थी, जो उत्प्रेरक की सतह पर सक्रिय साइटों को अवरुद्ध कर सकते हैं।

यह कार्य टिकाऊ फोटोकैटलिस्ट बनाने के लिए एक व्यावहारिक और स्केलेबल मार्ग प्रदान करता है। एक एकल प्रिकर्सर का उपयोग करके जो एक बहु-घटक प्रणाली में परिवर्तित हो जाता है जिसमें एक आंतरिक कार्बन नेटवर्क होता है, शोधकर्ताओं ने उन जटिल, बहु-चरणीय प्रक्रियाओं से परहेज किया जो अक्सर ऐसे पदार्थों के निर्माण के लिए आवश्यक होती हैं। परिणामी कंपोजिट न केवल टेट्रासाइक्लिन को हटाने में अत्यधिक कुशल है, बल्कि वास्तविक दुनिया के जल उपचार परिदृश्यों में दीर्घकालिक उपयोग के लिए पर्याप्त स्थिर भी है। निष्कर्ष बताते हैं कि यह दृष्टिकोण एंटीबायोटिक प्रदूषण से निपटने के लिए एक व्यवहार्य समाधान हो सकता है, जो एक ऐसी विधि प्रदान करता है जो प्रभावी और पर्यावरण के अनुकूल दोनों है। इस सामग्री की सफलता उन्नत इंटरफेस को इंजीनियर करने के लिए 'सेल्फ-सेक्रिफिशियल टेम्पलेट्स' (स्व-बलिदान टेम्प्लेट) के उपयोग की क्षमता को उजागर करती है जो पर्यावरणीय सफाई के लिए प्रकाश की शक्ति को अधिकतम करती है।