Dynamic protonation of nickel, manganese & cobalt (NMC) and its effect on simultaneous estimation and chelation potential of polyphenolic ligand(s)

दुनिया बैटरियों पर चल रही है। हमारी जेबों में रखे स्मार्टफोन से लेकर सड़कों पर दौड़ती इलेक्ट्रिक कारों तक, लिथियम-आयन बैटरियां आधुनिक युग को शक्ति प्रदान करती हैं। लेकिन ये बैटरियां हमेशा के लिए नहीं चलतीं। जब वे घिस जाती हैं, तो वे एक बड़ी चुनौती बन जाती हैं: हम इन मूल्यवान सामग्रियों को इस तरह वापस कैसे प्राप्त करें कि इस प्रक्रिया में ग्रह (धरती) नष्ट न हो जाए? हर बैटरी के हृदय के भीतर एक कैथोड होता है, जो निकल, मैंगेंज और कोबाल्ट जैसी धातुओं से भरा एक घटक है। ये धातुएं बैटरी का इंजन हैं, लेकिन बैटरी खत्म होने के बाद इन्हें अलग करना भी कठिन होता है। उन्हें रीसायकल करने की वर्तमान विधियां अक्सर मिश्रित मेवों को हथौड़े से अलग करने की कोशिश करने जैसी होती हैं: वे अत्यधिक गर्मी या कठोर रसायनों का उपयोग करती हैं, जिससे भारी मात्रा में ऊर्जा खर्च होती है और जहरीला कचरा पैदा होता है। वैज्ञानिक एक अधिक सौम्य तरीके की तलाश कर रहे हैं, एक ऐसी विधि जो इन विशिष्ट धातुओं को मिश्रण से साफ और कुशलतापूर्वक बाहर निकाल सके, और लिथियम को पुन: उपयोग के लिए पीछे छोड़ सके।

इस सौम्य दृष्टिकोण की कुंजी यह समझने में निहित है कि ये धातुएं पानी में कैसा व्यवहार करती हैं। एक घोल में, धातुएं इस आधार पर अलग-अलग अवस्थाओं में मौजूद हो सकती हैं कि पानी कितना अम्लीय या क्षारीय है। यह प्रोटोनेशन (protonation) का मामला है, एक रासायनिक प्रक्रिया जहां धातु आयन या तो प्रोटॉन नामक सूक्ष्म, आवेशित कण प्राप्त करते हैं या उन्हें खो देते हैं। जब वातावरण बदलता है, तो धातुएं अपना विद्युत व्यक्तित्व बदल लेती हैं। भारत के रामैयाह इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने इस व्यवहार का लाभ उठाने का लक्ष्य रखा। वे देखना चाहते थे कि क्या वे प्राकृतिक पौधों के यौगिकों, जिन्हें पॉलीफेनोल्स (polenphols) कहा जाता है, का उपयोग इन धातुओं को पकड़ने और उन्हें मिश्रण से बाहर निकालने के लिए कर सकते हैं। ये पादप यौगिक विशिष्ट आकार वाले आणविक स्पंज की तरह होते हैं जो धातु आयनों को जकड़ सकते हैं। टीम ने निकल, मैंगेंज और कोबाल्ट के मिश्रण पर ध्यान केंद्रित किया, जो बैटरी कैथोड का मुख्य हिस्सा बनाते हैं, और एक सरल प्रश्न पूछा: क्या हम एक प्राकृतिक पौधे के रसायन का उपयोग तीनों को एक साथ पकड़ने के लिए कर सकते हैं, और क्या पानी का अम्लता स्तर यह प्रभावित करता है कि यह कितना प्रभावी है?

इसका उत्तर खोजने के लिए, शोधकर्ताओं को सबसे पहले धातुओं को अलग किए बिना उन्हें मापने का एक तरीका चाहिए था। वे एक ऐसी तकनीक की ओर मुड़े जो समाधान के विद्युत विभव (electrical potential) को मापती है, जो एक प्रकार का 'केमिकल मूड रिंग' है जो धातुओं की सक्रियता के आधार पर रंग बदलता है। धातुओं को विभिन्न पादप अर्क (plant extracts) के साथ मिलाकर, वे देख सकते थे कि विद्युत संकेत कैसे बदलता है। उन्होंने क्वेरसेटिन (quercetin) और फाइटिक एसिड (phytic acid) के यौगिकों सहित कई उम्मीदवारों का परीक्षण किया, जिसमें हल्दी में पाया जाने वाला चमकीला पीला रंग 'करक्यूमिन' (curcumin) भी शामिल था। डेटा को छानने के लिए एक सांख्यिकीय पद्धति का उपयोग करते हुए, उन्होंने पाया कि करक्यूमिन सबसे उत्कृष्ट प्रदर्शन करने वाला था। इसने धातुओं के साथ परस्पर क्रिया करते समय सबसे मजबूत और विशिष्ट विद्युत संकेत उत्पन्न किए, जिससे पता चलता है कि यह धातुओं के साथ एक मजबूत बंधन बना रहा है। यह केवल एक यादृच्छिक अवलोकन नहीं था; डेटा ने दिखाया कि करक्यूमिन अन्य परीक्षण किए गए पादप यौगिकों की तुलना में काफी अधिक प्रभावी था।

टीम ने इस खोज को एक कदम आगे ले जाते हुए यह देखा कि वास्तव में क्या होता है जब करक्यूमिन धातुओं से मिलता है। उन्होंने पीले पादप अर्क को अलग-अलग अम्लता स्तरों पर धातु के घोल के साथ मिलाया, जो अम्लीय से लेकर क्षारीय तक था। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और विशेष स्कैनरों के साथ परिणामी मिश्रण का परीक्षण किया, तो उन्होंने देखा कि धातुओं और करक्यूमिन ने वास्तव में मिलकर एक ठोस गुच्छा, एक समन्वय परिसर (coordination complex) बना लिया था। इस गुच्छे की संरचना पानी की अम्लता के आधार पर बदल जाती थी। अधिक अम्लीय स्थितियों में, करक्यूमिन मैंगेंज धातु को अधिक मजबूती से पकड़ता था, जबकि तटस्थ और क्षारीय स्थितियों में, यह निकल और कोबाल्ट को पकड़ना पसंद करता था। यह सूक्ष्म प्राथमिकता महत्वपूर्ण थी। इसका अर्थ यह था कि पानी के pH को बदलकर, वे नियंत्रित कर सकते थे कि करक्यूमिन मिश्रण से किन धातुओं को बाहर निकालेगा।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, शोधकर्ताओं ने इसमें शामिल परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों को मॉडल करने के लिए एक शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने धातु और पादप यौगिक को एक साथ रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना की। सिमुलेशन से पता चला कि बंधन तब सबसे मजबूत था जब करक्यूमिन 'डीप्रोटोनेटेड' (deprotonated) अवस्था में था, जो तटस्थ या क्षारीय पानी में होता है। इन स्थितियों में, पादप अणु ने धातुओं पर अपनी पकड़ मजबूत करने के लिए अपने इलेक्ट्रॉनों को पुनर्गठित किया। कंप्यूटर मॉडल ने दिखाया कि धातुओं और करक्यूमिन को एक साथ रखने वाली ऊर्जा इन स्थितियों में कम और अधिक स्थिर थी, जिससे पुष्टि हुई कि पादप यौगिक बिल्कुल वही कर रहा था जैसा कि विद्युत माप ने सुझाव दिया था: धातुओं के साथ एक मजबूत, स्थिर लॉक बनाना।

पहेली का अंतिम हिस्सा यह सिद्ध करना था कि इस विधि ने वास्तव में तरल से धातुओं को हटाया है। शोधकर्ताओं ने यह मापने के लिए एक अत्यधिक संवेदनशील मशीन का उपयोग किया कि करक्यूमिन के कार्य करने के बाद पानी में कितनी धातु बची है। परिणाम स्पष्ट थे: तटस्थ और क्षारीय pH स्तरों पर, पानी में शेष निकल और कोबाल्ट की मात्रा नाटकीय रूप से गिर गई। करक्यूमिन ने सफलतापूर्वक इन धातुओं को घोल से निकालकर उस ठोस गुच्छे में बदल दिया था। मैंगेंज थोड़ा अलग व्यवहार कर रहा था, जिसने अम्लीय स्थितियों के प्रति प्राथमिकता दिखाई, लेकिन समग्र पैटर्न सही रहा। पादप यौगिक ने एक चयनात्मक फिल्टर के रूप में कार्य किया, जो पर्यावरण की अम्लता के आधार पर मिश्रण से भारी धातुओं को हटा देता है।

यह कार्य रीसाइक्लिंग के लिए एक आशाजनक नया मार्ग प्रदान करता है। बैटरियों को तोड़ने के लिए शारीरिक बल (brute force) का उपयोग करने के बजाय, वैज्ञानिक भविष्य में सरल, प्राकृतिक पादप अर्क का उपयोग करके धीरे से धातुओं को अलग कर सकते हैं। पानी की अम्लता को ट्यून करके, वे संभावित रूप से निकल, कोबाल्ट और मैंगेंज को एक-एक करके या समूहों में बाहर निकाल सकते हैं, और लिथियम को पीछे छोड़ सकते हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि करक्यूमिन, जो रसोई का एक सामान्य मसाला है, इस काम के लिए एक सटीक उपकरण के रूप में कार्य करने की रासायनिक क्षमता रखता है। हालांकि यह अभी एक प्रयोगशाला खोज है और अभी तक फैक्ट्री प्रक्रिया नहीं बनी है, फिर भी यह प्रदर्शित करता है कि प्रकृति हमारी सबसे जटिल औद्योगिक समस्याओं के लिए परिष्कृत समाधान प्रदान करती है। एक प्राकृतिक लिगैंड (ligand) का उपयोग करके इन धातुओं का एक साथ अनुमान लगाने और उन्हें हटाने की क्षमता एक ऐसे भविष्य का संकेत देती है जहाँ बैटरी रीसाइक्लिंग न केवल स्वच्छ, बल्कि अधिक स्मार्ट भी होगी।