Earth-abundant CZTS/MIL-125-NH2 heterojunctions for enhanced visible-light Cr(VI) reduction: Interfacial charge dynamics and mechanistic insights

सूर्य का प्रकाश केवल त्वचा पर होने वाली गर्माहट मात्र नहीं है; यह ऊर्जा का एक ऐसा प्रवाह है जो उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित करने में सक्षम है जो हमारे पानी को साफ कर सकती हैं या हमारी दुनिया को शक्ति दे सकती हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इस प्रकाश का उपयोग हानिकारक प्रदूषकों को तोड़ने के लिए करने का प्रयास कर रहे हैं, जिसे फोटोकैटलिसिस (photocatalysis) के रूप में जाना जाता है। विचार सरल है: एक विशेष सामग्री पर प्रकाश डालें, और यह सूक्ष्म विद्युत आवेशों (electrical charges) का एक उछाल पैदा करता है जो जहरीले अणुओं को पकड़कर उन्हें हानिरहित पदार्थों में बदल सकते हैं। हालाँकि, प्रकृति अक्सर इसे कठिन बना देती है। जो सामग्रियां प्रकाश को अच्छी तरह अवशोषित करती हैं, वे अक्सर अपने द्वारा उत्पन्न विद्युत आवेशों को स्थानांतरित करने में कमजोर होती हैं, जबकि जो सामग्रियां आवेशों को अच्छी तरह से स्थानांतरित करती हैं, वे पर्याप्त प्रकाश अवशोषित नहीं कर पाती हैं। इसके अलावा, कई सबसे प्रभावी सामग्रियां दुर्लभ, महंगी तत्वों पर निर्भर करती हैं या स्वयं विषाक्त घटकों से युक्त होती हैं, जिससे वे व्यापक उपयोग के लिए अव्यावहारिक हो जाती हैं। चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने की रही है जो सस्ती, सुरक्षित, प्रचुर मात्रा में हो और उस दृश्य प्रकाश (visible light) के तहत दोनों कार्यों को कुशलतापूर्वक करने में सक्षम हो जो हमारे ग्रह को प्रतिदिन भर देता है।

हाल ही के एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस समस्या का समाधान करने के लिए एक नए प्रकार की हाइब्रिड सामग्री बनाई, जिसे हेक्सावलेंट क्रोमियम (hexavalent chromium) से दूषित पानी को साफ करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जो धातु का एक अत्यधिक विषाक्त रूप है और अक्सर औद्योगिक कचरे में पाया जाता है। उन्होंने दो अलग-अलग घटकों को मिलाया: एक मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (metal-organic framework), जो धातु के समूहों से जुड़ी कार्बनिक अणुओं से बना एक छिद्रपूर्ण क्रिस्टल है, और सीजेटीएस (CZTS) नामक सल्फाइड खनिज के सूक्ष्म नैनोकण। मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क, जिसे MIL-125-NH2 के रूप में जाना जाता है, प्रकाश को अवशोषित करने में उत्कृष्ट है लेकिन इसके परिणामस्वरूप उत्पन्न विद्युत आवेशों को स्थानांतरित करने में संघर्ष करता है। सीजेटीएस नैनोकण, जो तांबा, जस्ता, टिन और सल्फर से बने हैं, प्रचुर मात्रा में और गैर-विषाक्त हैं, और वे दृश्य स्पेक्ट्रम (visible spectrum) में प्रकाश को अवशोषित करने में बहुत अच्छे हैं। शोधकर्ताओं ने इन दोनों सामग्रियों को आपस में मिला दिया, जिससे एक ऐसा कंपोजिट बना जहाँ सीजेटीएस के छोटे कण बड़े मेटल-ऑर्गेनिक क्रिस्टल की सतह पर स्थित हैं। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह साझेदारी इन दोनों सामग्रियों को एक-दूसरे की ताकत का उपयोग करके एक-दूसरे की कमजोरियों को ठीक करने की अनुमति देगी।

टीम ने इस मिश्रण के कई संस्करण बनाए, जिसमें सीजेटीएस नैनोकणों की मात्रा को वजन के अनुसार 5 प्रतिशत से 50 प्रतिशत तक बदला गया। उन्होंने पाया कि केवल सामग्रियों को मिलाना ही पर्याप्त नहीं था; उन्हें किस तरह से संयोजित किया गया है, यह अत्यंत महत्वपूर्ण था। जब उन्होंने दृश्य प्रकाश के तहत सामग्रियों का परीक्षण किया, तो एक विशिष्ट मिश्रण सबसे अलग रहा। 25 प्रतिशत सीजेटीएस नैनोकणों वाले नमूने ने अन्य मिश्रणों की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन किया, और अकेले उपयोग की गई किसी भी सामग्री की तुलना में बहुत बेहतर प्रदर्शन किया। इस इष्टतम मिश्रण को, जिसे शोधकर्ताओं ने NC25 कहा, पानी में जहरीले क्रोमियम की सांद्रता को अकेले मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क की तुलना में लगभग दोगुनी गति से कम करने में सक्षम पाया गया। अन्य मिश्रणों में, जिनमें या तो बहुत कम या बहुत अधिक सीजेटीएस था, उतना अच्छा प्रदर्शन नहीं हुआ, जिससे पता चलता है कि दोनों सामग्रियों के प्रभावी ढंग से संवाद करने के लिए एक सटीक संतुलन की आवश्यकता होती है।

यह समझने के लिए कि यह विशिष्ट मिश्रण इतना अच्छा क्यों काम कर रहा था, शोधकर्ताओं ने इस बात पर बारीकी से नज़र रखी कि सामग्रियां विद्युत आवेशों को कैसे संभालती हैं। उन्होंने पाया कि दोनों घटकों ने एक विशेष इंटरफेस (interface) बनाया जहाँ विद्युत ऊर्जा स्तर पृथक्करण को प्रोत्साहित करने के लिए पूरी तरह से संरेखित थे। जब प्रकाश मिश्रण से टकराता है, तो यह धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों के जोड़े बनाता है। एक विशिष्ट सामग्री में, ये जोड़े जल्दी से पुनर्संयोजित होकर लुप्त हो जाते हैं, जिससे ऊर्जा नष्ट हो जाती है। हालाँकि, इस नए हाइब्रिड में, ऋणात्मक आवेशों को सीजेटीएस कणों से मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क में धकेला जाता है, जबकि धनात्मक आवेश विपरीत दिशा में चलते हैं। यह भौतिक अलगाव आवेशों को उपयोगी कार्य करने के लिए पर्याप्त समय तक अलग रखता है। अध्ययन ने दिखाया कि यह पृथक्करण दोनों सामग्रियों की विशिष्ट व्यवस्था द्वारा संचालित होता है, जो एक ऐसा मार्ग बनाता है जो आवेशों को कुशलतापूर्वक सतह की ओर निर्देशित करता है जहाँ वे जहरीले क्रोमियम पर हमला कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह पुष्टि करने के लिए कि साझेदारी वास्तव में कैसे काम करती है, यह भी परीक्षण किया कि सामग्री प्रकाश के विभिन्न रंगों के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती है। जब उन्होंने नीले रंग की एक विशिष्ट छाया का उपयोग किया जो दोनों सामग्रियों को एक साथ उत्तेजित कर सकती थी, तो प्रतिक्रिया तेज और कुशल थी। हालाँकि, जब उन्होंने पीले-हरे प्रकाश में स्विच किया जो केवल सीजेटीएस कणों को उत्तेजित कर सकता था, तो प्रतिक्रिया नाटकीय रूप से धीमी हो गई, जो इसके पिछले वेग के एक छोटे से अंश तक गिर गई। यह परिणाम महत्वपूर्ण था क्योंकि इसने सिद्ध किया कि प्रणाली दोनों भागों के सक्रिय होने पर निर्भर करती है। इसने दिखाया कि सीजेटीएस कण अकेले कुशलतापूर्वक प्रतिक्रिया चलाने के लिए पर्याप्त नहीं थे; उन्हें आवेशों को स्वीकार करने और उन्हें गतिमान रखने के लिए मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क की आवश्यकता थी। उस साथी के बिना, आवेशों को पानी को साफ करने से पहले ही पुनर्संयोजित होकर गायब हो जाना चाहिए था।

अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि यह नई सामग्री पर्यावरणीय सफाई के लिए एक व्यवहार्य, पृथ्वी-प्रचुर समाधान है। सामान्य, गैर-विषाक्त तत्वों और एक सरल निर्माण प्रक्रिया का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई है जो अधिक जटिल या महंगी विकल्पों से बेहतर प्रदर्शन करती है। 25 प्रतिशत मिश्रण की सफलता इन हाइब्रिड प्रणालियों में इंटरफेस डिजाइन के महत्व को रेखांकित करती; यह केवल सही सामग्री होने के बारे में नहीं है, बल्कि उन्हें सही अनुपात में मिलाने के बारे में है ताकि एक निर्बाध संबंध बनाया जा सके। यह कार्य सुझाव देता है कि विभिन्न सामग्रियां एक-दूसरे को कैसे छूती हैं और परस्पर क्रिया करती हैं, इसे सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, वैज्ञानिक सौर-संचालित पर्यावरणीय उपचार के लिए शक्तिशाली उपकरण बना सकते हैं, जिससे सूर्य के प्रकाश को हमारे जल आपूर्ति को विषमुक्त करने के लिए एक व्यावहारिक पद्धति में बदला जा सके।