A Facile Green Synthesis of Polyethyleneimine-Functionalized Graphene Oxide Frameworks with Enhanced CO₂ Capture and Selectivity
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि विलायक-नियंत्रित संश्लेषण रणनीतियाँ ग्राफीन ऑक्साइड ढांचों पर पॉलीइथाइलीनइमाइन के विन्यास और लोडिंग को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती हैं, जिसमें जलीय-आधारित प्रसंस्करण इथेनॉल-मध्यस्थ या सहसंयोजक ग्राफ्टिंग विधियों की तुलना में एक विस्तारित बहुलक संरचना को बढ़ावा देकर और सुलभ अमीन साइटों को अधिकतम करके उच्चतम CO₂ अवशोषण (35 cc g⁻¹) और चयनात्मकता प्रदान करता है।
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जिस हवा में हम सांस लेते हैं, वह कार्बन डाइऑक्साइड से तेजी से भारी होती जा रही है, जो एक ऐसी गैस है जो ऊर्जा और उद्योग के लिए जीवाश्म ईंधन जलाने पर निकलती है। यह संचय वायुमंडल में गर्मी को रोकता है, जिससे ग्लोबल वार्मिंग बढ़ती है और जलवायु बदलती है। इस प्रक्रिया को धीमा करने के लिए, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो स्पंज की तरह काम कर सकें, यानी हवा या कारखानों की चिमनियों से कार्बन डाइऑक्साइड को खींच सकें। एक आशाजनक दृष्टिकोण में ऐसे ठोस पदार्थों का उपयोग करना शामिल है जो गैस के अणुओं को आकर्षित करते हैं और उन्हें थामे रखते हैं, जिसे अधिशोषण (adsorption) कहा जाता है। इन सामग्रियों के प्रभावी ढंग से काम करने के लिए, उन्हें नाइट्रोजन जैसे अन्य गैसों को अनदेखा करते हुए कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने में कुशल होना चाहिए, जो हमारे वायुमंडल का अधिकांश हिस्सा है। उन्हें पकड़ी गई गैस को छोड़ने में भी सक्षम होना चाहिए ताकि सामग्री का पुन: उपयोग किया जा सके, और वह भी बहुत अधिक ऊर्जा खर्च किए बिना।
किंग फहद यूनिवर्सिटी ऑफ पेट्रोलियम एंड मिनरल्स, सऊदी अरब के शोधकर्ताओं ने ताइवान के सहयोगियों के साथ मिलकर, इस तरह की सामग्री बनाने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने ग्राफीन ऑक्साइड से शुरुआत की, जो कार्बन का एक पतला, शीट जैसा रूप है जो ऑक्सीजन से भरपूर है और जिसका सतही क्षेत्रफल बड़ा है। अपने आप में, यह सामग्री कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने में बहुत अच्छी नहीं है। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने पॉलीइथाइलीनइमाइन नामक एक पॉलीमर को जोड़ा, जो नाइट्रोजन परमाणुओं से भरा हुआ है जो स्वाभाविक रूप से कार्बन डाइऑक्साइड के साथ जुड़ना पसंद करते हैं। चुनौती यह पता लगाने में थी कि इस पॉलीमर को इस तरह से कैसे जोड़ा जाए कि इसके नाइट्रोजन परमाणु खुले और काम करने के लिए तैयार रहें, न कि छिपे हुए या बाधित। टीम ने पाया कि निर्माण प्रक्रिया के दौरान उपयोग किया जाने वाला तरल ही इस सामग्री की पूरी क्षमता को खोलने की कुंजी था।
वैज्ञानिकों ने इस कार्बन-कैप्चर करने वाली सामग्री के तीन अलग-अलग संस्करण बनाए, जिनमें से प्रत्येक ने संयोजन को निर्देशित करने के लिए एक अलग तरल का उपयोग किया। पहले तरीके में, उन्होंने ग्राफीन की शीटों और पॉलीमर को पानी में मिलाया। दूसरे में, उन्होंने इथेनॉल (एक प्रकार की अल्कोहल) का उपयोग किया। तीसरे में, उन्होंने डाइमिथाइलफॉर्मामाइड (DMF) का उपयोग करने वाली एक रासायनिक प्रक्रिया का उपयोग किया, जो औद्योगिक रसायन विज्ञान में उपयोग किया जाने वाला एक विलायक है, ताकि पॉलीमर को शीटों से रासायनिक रूप से चिपकाया जा सके। परिणामों ने दिखाया कि चुने गए तरल के आधार पर प्रदर्शन में स्पष्ट अंतर था। पानी में बनाई गई सामग्री सबसे प्रभावी साबित हुई, जिसने प्रति ग्राम सामग्री पर 35 घन सेंटीमीटर कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ा। इथेनॉल में बनाई गई सामग्री कम प्रभावी थी, जिसने 22.5 घन सेंटीमीटर कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ा, जबकि रासायनिक गोंद विधि से बनी सामग्री ने केवल 12.6 घन सेंटीमीटर को पकड़ा। मूल ग्राफीन शीट, बिना किसी पॉलीमर के, केवल 5.8 घन सेंटीमीटर ही पकड़ पाई थीं।
इस अंतर का कारण यह है कि तरल के भीतर पॉलीमर व्यवहार करता है। जब शोधकर्ताओं ने घटकों को पानी में मिलाया, तो तरल की उच्च ध्रुवीयता (polarity) के कारण पॉलीमर श्रृंखलाएं फैल गईं और एक पेड़ की तरह सीधी खड़ी हो गईं जिसकी शाखाएं पूरी तरह फैली हुई हों। इस खुले आकार ने नाइट्रोजन स्थलों की एक विशाल संख्या को उजागर कर दिया, जिससे कार्बन डाइऑक्साइड के अणुओं के लिए उन तक पहुँचना और जुड़ना आसान हो गया। इसके विपरीत, इथेनॉल के वातावरण ने पॉलीमर श्रृंखलाओं को एक सघन, अधिक सघन गेंद की तरह सिकोड़ दिया, जिससे कई नाइट्रोजन स्थल छिप गए और गैस के लिए उन तक पहुँचना कठिन हो गया। रासायनिक गोंद विधि, हालांकि एक मजबूत बंधन बनाती है, वास्तव में ग्राफीन शीटों पर मौजूद उन ऑक्सीजन समूहों को हटा देती है जो पॉलीमर को थामे रखने के लिए आवश्यक थे, जिसके परिणामस्वरूप कुल मिलाकर कम पॉलीमर श्रृंखलाएं जुड़ीं।
पदार्थ के आणविक स्तर पर वास्तव में क्या हो रहा था, इसे समझने के लिए, टीम ने विभिन्न वातावरणों में सामग्री की संरचना को देखने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। इन सिमुलेशनों ने पुष्टि की कि पानी में, पॉलीमर श्रृंखलाएं पूरी तरह से खुल गईं, जिससे एक ऐसी संरचना बनी जिसमें कार्बन डाइऑक्साइड को आकर्षित करने वाला एक मजबूत विद्युत खिंचाव था। अन्य तरल पदार्थों में, श्रृंखलाएं अधिक मुड़ी हुई रहीं या जुड़ाव कमजोर था। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि पानी से बनी सामग्री अत्यधिक चयनात्मक थी, जिसका अर्थ है कि इसने नाइट्रोजन को गुजरने देते हुए लगभग विशेष रूप से कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ा। गैस को पकड़ने और छोड़ने के सात बार दोहराए गए चक्रों के परीक्षण के दौरान, इसने अपनी कार्यक्षमता का 93 प्रतिशत से अधिक हिस्सा बनाए रखा, जिससे सिद्ध हुआ कि यह स्थिर और टिकाऊ है।
यह शोध इस बात पर प्रकाश डालता है कि कार्बन-कैप्चर करने वाली सामग्री की सफलता इस बात पर कम निर्भर करती है कि कितना पॉलीमर जोड़ा गया है, बल्कि इस पर अधिक निर्भर करती है कि उस पॉलीमर को कैसे व्यवस्थित किया गया है। संश्लेषण के लिए केवल पानी को माध्यम चुनकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी संरचना बनाई जहाँ सक्रिय स्थल अधिकतम रूप से सुलभ थे। यह दृष्टिकोण वायुमंडल को साफ करने के लिए बेहतर सामग्रियां बनाने के लिए एक सरल, हरित और प्रभावी मार्ग प्रदान करता है, जो यह दर्शाता है कि कभी-कभी विज्ञान में सबसे शक्तिशाली उपकरण यह समझना होता है कि एक अणु पानी की एक बूंद में कैसे व्यवहार करता है।
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