Defect-Driven Engineering of Nitrogen-Doped Reduced Graphene Oxide Membranes for Dye Separation
यह अध्ययन ट्यूनेबल डिफेक्ट केमिस्ट्री और उन्नत क्रिस्टलीयता वाले नाइट्रोजन-डोप्ड रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड मेम्ब्रेन के नियंत्रित हाइड्रोथर्मल संश्लेषण को प्रदर्शित करता है, जो उन्नत जल शोधन अनुप्रयोगों के लिए अति-उच्च डाई रिजेक्शन (>98.8%) और उच्च पारगम्यता प्राप्त करता है।
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जल शुद्धिकरण उन प्रदूषकों के विरुद्ध एक निरंतर संघर्ष है जो देखने में बहुत छोटे हैं लेकिन नुकसान पहुँचाने के लिए पर्याप्त बड़े हैं। इनमें सबसे जिद्दी सिंथेटिक रंग (डाई) हैं जिनका उपयोग वस्त्रों और उद्योगों में किया जाता है, जो अक्सर पारंपरिक फिल्टरों से निकल जाते हैं क्योंकि उनके अणु बहुत सूक्ष्म और रासायनिक रूप से जटिल होते हैं। उन्हें रोकने के लिए, वैज्ञानिकों ने ग्राफीन की ओर रुख किया है, जो कार्बन परमाणुओं से बनी एक सामग्री है जो एक अत्यंत पतली परत के रूप में व्यवस्थित होती है। जहाँ शुद्ध ग्राफीन अपनी मजबूती और चालकता के लिए एक चमत्कार है, वहीं इसे बड़ी मात्रा में बनाना कठिन है। इसका एक अधिक सुलभ संस्करण, जिसे ग्राफीन ऑक्साइड कहा जाता है, बनाना आसान है लेकिन यह एक स्पंज की तरह व्यवहार करता है, जो ऑक्सीजन समूहों से भरा होता है जो इसके प्रदर्शन में बाधा डाल सकते हैं। चुनौती इन ऑक्सीजन समूहों को हटाकर सामग्री की मजबूती को बहाल करने का तरीका खोजने की थी, जबकि इसकी निर्माण प्रक्रिया को सरल बनाए रखना था, और साथ ही इसकी सटीक फिल्टर के रूप में कार्य करने की क्षमता को भी बनाए रखना था।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक नियंत्रित हीटिंग प्रक्रिया का उपयोग करके एक नए प्रकार की झिल्ली (मेम्ब्रेन) तैयार करके इस समस्या का समाधान किया। उन्होंने ग्राफीन ऑक्साइड से शुरुआत की और इसमें नाइट्रोजन परमाणुओं को शामिल किया, जिसे 'डोपिंग' नामक तकनीक कहा जाता है। जोड़े गए नाइट्रोजन की मात्रा को समायोजित करके, उन्होंने सामग्री के तीन अलग-अलग संस्करण बनाए, जो कम संसाधित रूप से लेकर अत्यधिक परिष्कृत रूप तक विस्तृत थे। लक्ष्य यह देखना था कि नाइट्रोजन की मात्रा बढ़ने के साथ सामग्री कैसे बदलती है, जो अनिवार्य रूप से कार्बन परतों को एक अव्यवस्थित अवस्था से एक सुव्यवस्थित, क्रिस्टलीय संरचना की ओर ले जाती है। इस प्रक्रिया को, जिसे उन्होंने गर्मी और दबाव के तहत एक सीलबंद पात्र में किया, उन्हें अनचाहे ऑक्सीजन समूहों को हटाने और साथ ही कार्बन ढांचे में नाइट्रोजन को बुनने की अनुमति दी।
परिणामों ने नाइट्रोजन की मात्रा बढ़ने के साथ एक स्पष्ट परिवर्तन दिखाया। सबसे कम नाइट्रोजन वाले नमूनों में, सामग्री कुछ हद तक अव्यवस्थित रही, जिसमें परतें एक-दूसरे से काफी दूर थीं। हालाँकि, उच्चतम नाइट्रोजन सांद्रता वाले नमूनों में, संरचना काफी सख्त हो गई। परतें एक-दूसरे के करीब आ गईं, और सामग्री ने एक अधिक संगठित, क्रिस्टल जैसी व्यवस्था विकसित कर ली। यह बदलाव केवल एक दृश्य परिवर्तन नहीं था; इसने मौलिक रूप से पानी और प्रदूषकों के साथ सामग्री के व्यवहार को बदल दिया। शोधकर्ताओं ने परमाणु संरचना का परीक्षण करके इसकी पुष्टि की, और पाया कि जैसे-जैसे नाइट्रोजन की मात्रा बढ़ी, कार्बन परतों के बीच की दूरी कम होती गई, जिससे एक अधिक सघन और मजबूत शीट तैयार हुई।
जब इन इंजीनियर की गई परतों को एक झिल्ली के रूप में असेंबल किया गया और सामान्य जल रंगों (डाई) के विरुद्ध परीक्षण किया गया, तो प्रदर्शन आश्चर्यजनक था। झिल्ली ने एक अत्यधिक प्रभावी अवरोधक के रूप में कार्य किया, जिसने मेथिलीन ब्लू, मिथाइल ऑरेंज और रोडामाइन बी सहित डाई अणुओं के 98.8 प्रतिशत से अधिक को रोक दिया। साथ ही, इसने अपेक्षाकृत कम दबाव में भी उल्लेखनीय गति से पानी को गुजरने दिया। उच्च अस्वीकरण (रिजेक्शन) और उच्च प्रवाह का यह संयोजन दुर्लभ है, क्योंकि जो फिल्टर सब कुछ रोक देते हैं वे अक्सर जाम हो जाते हैं या पानी की गति धीमी कर देते हैं। इस झिल्ली की सफलता यह सुझाव देती है कि सामग्री के दोषों और रासायनिक संरचना को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वैज्ञानिक ऐसे फिल्टर बना सकते हैं जो मजबूत और कुशल दोनों हों। अध्ययन इंगित करता है कि यह दृष्टिकोण बेहतर जल शुद्धिकरण प्रणालियों की ओर एक स्केलेबल मार्ग प्रदान करता है, जो औद्योगिक अपशिष्ट जल में पाए जाने वाले प्रदूषकों के जटिल मिश्रण को संभालने में सक्षम है।
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