Comprehensive investigation of CuFe 2 O 4 /ZnO/RGO ternary nanocomposites for enhanced photocatalytic degradation of acid orange dye
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक संश्लेषित CuFe₂O₄/ZnO/RGO त्रिक नैनोकम्पोजिट (ternary nanocomposite) अनुकूलित pH और खुराक पर हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स द्वारा प्रधान तंत्र के माध्यम से, सूर्य के प्रकाश के तहत एसिड ऑरेंज डाई के फोटोकैटलिटिक क्षरण को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, जिससे कई चक्रों में उच्च स्थिरता बनाए रखते हुए 95% तक दक्षता प्राप्त होती है।
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कपड़ा कारखानों से निकलने वाले अपशिष्ट जल अक्सर कृत्रिम रंगों (सिंथेटिक डाइज़) से रंजित होते हैं जिन्हें हटाना बेहद कठिन होता है। ये रंगीन रसायन, जैसे कि 'एसिड ऑरेंज' के रूप में ज्ञात, न केवल देखने में अप्रिय लगते हैं, बल्कि वे पानी के नीचे के पौधों तक सूरज की रोशनी पहुँचने से भी रोकते हैं, पानी में ऑक्सीजन की कमी करते हैं, और ऐसे जहरीले पदार्थों में टूट सकते हैं जो वन्यजीवों और मनुष्यों दोनों को नुकसान पहुँचाते हैं। इस पानी को साफ करने के पारंपरिक तरीके, जैसे कि छनन (फिल्टरिंग) या रंगों को एक साथ जमाने के लिए रसायनों का उपयोग करना, अक्सर अवशेष छोड़ देते हैं या रंग के अणुओं को पूरी तरह से नष्ट करने में विफल रहते हैं। एक अधिक आशाजनक दृष्टिकोण में इन जिद्दी अणुओं को तोड़ने के लिए एक रासायनिक प्रतिक्रिया को संचालित करने हेतु सूर्य के प्रकाश का उपयोग करना शामिल है। यह प्रक्रिया विशेष सामग्रियों पर निर्भर करती है जिन्हें फोटोकैटलिस्ट (प्रकाश-उत्प्रेरक) कहा जाता है। जब सूर्य का प्रकाश इन सामग्रियों पर पड़ता है, तो वे सूक्ष्म, अत्यधिक प्रतिक्रियाशील कण उत्पन्न करते हैं जो सूक्ष्म सफाई कर्मियों की तरह कार्य करते हैं, और रंग पर तब तक हमला करते हैं और उसे विघटित करते रहते हैं जब तक कि वह हानिरहित पानी, कार्बन डाइऑक्साइड और साधारण लवणों में नहीं बदल जाता। हालाँकि, एक ऐसी सामग्री खोजना जो प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश के तहत काम करने के लिए पर्याप्त कुशल, सस्ती और स्थिर हो, वैज्ञानिकों के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती रही है।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं एलुमलाई अरुलकुमार और गोपीनाथ धमाडोरन ने एक नया प्रकार का फोटोकैटलिस्ट बनाने का प्रयास किया जो इन सीमाओं को दूर कर सके। उन्होंने तीन अलग-अलग सामग्रियों को एक एकल, जटिल संरचना में मिलाया: कॉपर आयरन ऑक्साइड, जिंक ऑक्साइड और कार्बन का एक रूप जिसे रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड कहा जाता है। लक्ष्य प्रत्येक घटक की खूबियों को मिलाकर एक ऐसी प्रणाली बनाना था जो अधिक सूर्य का प्रकाश पकड़ सके और प्रतिक्रियाशील कणों को एक-दूसरे को बहुत जल्दी बेअसर करने से रोक सके। टीम ने इस मिश्रण को सामग्रियों को मिलाने के लिए ध्वनि तरंगों (साउंड वेव्स) का उपयोग करने वाली एक अपेक्षाकृत सरल प्रक्रिया के माध्यम से संश्लेषित किया, जो अक्सर ऐसे उन्नत नैनोमटेरियल्स के लिए आवश्यक जटिल, बहु-चरणीय रासायनिक विधियों के बजाय उपयोग की जाती है। फिर उन्होंने अपने निर्माण का परीक्षण करने के लिए केवल प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके एसिड ऑरेंज डाई के घोल को साफ करने का प्रयास किया।
परिणामों ने दिखाया कि यह नया संयोजन अकेले उपयोग की जाने वाली किसी भी व्यक्तिगत सामग्री की तुलना में कहीं अधिक प्रभावी था। जब शोधकर्ताओं ने डाई के घोल को सूर्य के प्रकाश के संपर्क में रखा, तो व्यक्तिगत सामग्रियों ने नब्बे मिनट की अवधि में डाई को 57% से 72% के बीच तोड़ने में सफलता प्राप्त की। इसके विपरीत, उनके द्वारा बनाए गए मिश्रण ने, जिसे उन्होंने 'टर्नरी नैनोकम्पोजिट' नाम दिया, उसी समय में 85% डाई को हटा दिया। शोधकर्ताओं ने प्रतिक्रिया के लिए आदर्श स्थितियों को खोजने हेतु प्रयोग को और अधिक परिष्कृत किया। उन्होंने पाया कि पानी की एक विशिष्ट मात्रा में तीस मिलीग्राम उत्प्रेरक का उपयोग करना सबसे अच्छा था, जिससे क्षरण (डिग्रेडेशन) की दर बढ़कर 88% हो गई। इसके अलावा, उन्होंने पाया कि पानी की अम्लता (acidity) ने एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। जब उन्होंने पानी को थोड़ा अम्लीय बनाया, तो दक्षता बढ़कर 95% हो गई, जिसका अर्थ है कि लगभग सारा रंग नष्ट हो गया। इन इष्टतम स्थितियों के तहत, प्रतिक्रिया उस दर से काफी अधिक तेजी से हुई जो अन्य सामग्रियों के साथ देखी गई थी।
यह समझने के लिए कि यह मिश्रण इतना अच्छा क्यों काम कर रहा था, टीम ने विभिन्न उच्च-तकनीकी इमेजिंग और विश्लेषण उपकरणों का उपयोग करके सामग्रियों का बारीकी से परीक्षण किया। उन्होंने पुष्टि की कि तीनों घटक सफलतापूर्वक एक साथ जुड़ गए थे, जिसमें धातु ऑक्साइड के कण कार्बन की चादरों पर समान रूप से फैले हुए थे। इस निकट संपर्क ने इलेक्ट्रॉनों को, जो सूर्य के प्रकाश से उत्पन्न होने वाले सूक्ष्म आवेशित कण हैं, विभिन्न सामग्रियों के बीच स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति दी। शोधकर्ताओं ने गणना की कि संयुक्त सामग्री व्यक्तिगत भागों की तुलना में प्रकाश ऊर्जा की एक व्यापक श्रेणी को अवशोषित कर सकती है, जो प्रभावी रूप से सूर्य के प्रकाश को पकड़ने के लिए एक व्यापक जाल की तरह कार्य करती है। उन्होंने सामग्री के भीतर ऊर्जा के प्रवाह का भी मानचित्रण किया, जिससे पता चला कि इलेक्ट्रॉन संरचना के एक भाग से दूसरे भाग में कैसे यात्रा करते हैं, जिससे उन्हें फंसने और अपनी ऊर्जा बर्बाद करने से रोका जा सके। आवेश का यह कुशल संचलन ही वह चीज़ है जो सामग्री को उन प्रतिक्रियाशील कणों को उत्पन्न करने की अनुमति देता है जो रंग को नष्ट कर देते हैं।
अध्ययन ने यह भी जांचा कि वास्तव में कौन से प्रतिक्रियाशील कण सफाई प्रक्रिया में मुख्य भूमिका निभा रहे थे। कुछ विशिष्ट रसायनों को जोड़कर जो निश्चित प्रकार के कणों को बेअसर कर देते हैं, टीम यह देख सकी कि कौन से कण आवश्यक थे। उन्होंने पाया कि हाइड्रोक्सिल रेडिकल्स, जो अत्यंत आक्रामक ऑक्सीजन-आधारित कण हैं, डाई को नष्ट करने वाले प्राथमिक कारक थे। फोटोजेनरेटेड होल्स (photogenerated holes), जो इलेक्ट्रॉनों के हिलने के बाद पीछे छूटे हुए धनात्मक आवेशित स्थान हैं, और सुपरऑक्साइड रेडिकल्स ने भी महत्वपूर्ण सहायक भूमिकाएँ निभाईं। इलेक्ट्रॉनों ने स्वयं प्रत्यक्ष रूप से टूटने में कम योगदान दिया। इस विस्तृत विश्लेषण ने पुष्टि की कि सामग्री एक विशिष्ट, सहक्रियात्मक तंत्र (synergistic mechanism) के माध्यम से काम कर रही थी जहाँ नैनोकम्पोजिट के विभिन्न भाग इन सफाई एजेंटों के उत्पादन को अधिकतम करने के लिए एक साथ मिलकर कार्य करते हैं।
अंत में, शोधकर्ताओं को यह जानने की आवश्यकता थी कि क्या इस नई सामग्री का बार-बार उपयोग किया जा सकता है। उन्होंने दस बार लगातार प्रयोग चलाया, जिसमें प्रत्येक रन के बीच उत्प्रेरक को साफ किया गया। दस चक्रों के बाद भी, सामग्री ने लगभग 81% डाई को हटाने में सफलता प्राप्त की, जो यह दर्शाता है कि यह मजबूत है और इसे कई बार पुन: उपयोग किया जा सकता है। हालांकि लंबे समय तक उपयोग के बाद सामग्री के एक छोटे हिस्से में परिवर्तन के संकेत मिले, लेकिन मूल संरचना बरकरार रही। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि कॉपर आयरन ऑक्साइड, जिंक ऑक्साइड और रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड के मिश्रण को बनाने की यह सरल, अल्ट्रासोनिकेशन-सहायता प्राप्त विधि औद्योगिक अपशिष्ट जल को साफ करने के लिए एक अत्यधिक प्रभावी और पुन: प्रयोज्य समाधान प्रदान करती है। प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश और सामग्रियों के सावधानीपूर्वक इंजीनियर किए गए मिश्रण का लाभ उठाकर, यह दृष्टिकोण हमारे जलमार्गों में डाई प्रदूषण की निरंतर समस्या से निपटने के लिए एक व्यावहारिक कदम प्रदान करता है।
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