Synergetic Photocatalysis on Y2O3 doped NiZnFe2O4@rGO nanocomposite for efficient Sunset Yellow dye degradation
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सोल-जेल ऑटो कंबशन के माध्यम से संश्लेषित एक Y₂O₃-डोप्ड NiZnFe₂O₄@rGO नैनोकम्पोजिट, कुशल इलेक्ट्रॉन-होल पृथक्करण और सहक्रियात्मक फोटोकैटलिसिस के माध्यम से दृश्य प्रकाश के तहत सनसेट येलो डाई का 96% क्षरण प्राप्त करता है।
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दुनिया रंगीन तरल पदार्थों से भरी हुई है, जिसमें सॉफ्ट ड्रिंक्स के चमकीले रंगों से लेकर औद्योगिक अपशिष्ट जल (इंडस्ट्रियल वेस्टवॉटर) के गहरे शेड्स तक शामिल हैं। हालांकि ये रंग उत्पादों को आकर्षक बनाते हैं, लेकिन इन्हें बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले सिंथेटिक रंगों (डाई) से अक्सर पर्यावरण को गंभीर खतरा होता है। जब कारखाने इन रंगों वाला पानी छोड़ते हैं, तो ये रसायन लंबे समय तक बने रह सकते हैं, जिससे जलीय जीवन को नुकसान पहुँचता है और संभावित रूप से मानव स्वास्थ्य भी प्रभावित हो सकता है। ऐसा ही एक रंग, जिसे 'सनसेट येलो' के रूप में जाना जाता है, खाद्य पदार्थों और दवाओं में आम है लेकिन यह एलर्जी से लेकर अधिक गंभीर स्थितियों तक के स्वास्थ्य संबंधी मुद्दों से जुड़ा हुआ है। इस अपशिष्ट जल को साफ करने के पारंपरिक तरीके, जैसे कि फ़िल्टर करना या रसायनों का उपयोग करना, महंगे या अधूरे हो सकते हैं। एक अधिक आशाजनक दृष्टिकोण में इन प्रदूषकों को तोड़ने के लिए प्रकाश का उपयोग करना शामिल है। इस प्रक्रिया को 'फोटोकैटलिसिस' कहा जाता है, जो एक विशेष सामग्री का उपयोग करती है जो प्रकाश ऊर्जा के लिए स्पंज की तरह कार्य करती है। जब यह सामग्री प्रकाश को अवशोषित करती है, तो यह सूक्ष्म, अत्यधिक प्रतिक्रियाशील कण बनाती है जो डाई के अणुओं पर हमला करते हैं और उन्हें नष्ट कर देते हैं, जिससे वे पानी और कार्बन डाइऑक्साइड जैसे हानिरहित पदार्थों में बदल जाते हैं। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने की रही है जो सस्ती हो, प्रभावी हो, और उस प्रकाश के तहत अच्छी तरह से काम करे जो हमारे पास उपलब्ध है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक नई सामग्री विकसित की है, जिसे तीन अलग-अलग घटकों को एक एकल, कुशल प्रणाली में जोड़कर बनाया गया है। उन्होंने एक नैनोकम्पोजिट बनाया, जो सूक्ष्म कणों का एक मिश्रण है, जिसमें निकेल जिंक फेराइटट नामक चुंबकीय सामग्री को यट्रियम ऑक्साइड नामक दुर्लभ पृथ्वी ऑक्साइड के साथ जोड़ा गया, और फिर इन दोनों को रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड की परतों से जोड़ा गया। शोधकर्ताओं ने 'सोल-जेल ऑटो कंबशन' नामक विधि का उपयोग किया, जो एक ऐसी तकनीक है जिसमें तरल रसायनों को मिलाया जाता है और फिर उन्हें तब तक गर्म किया जाता है जब तक कि वे प्रतिक्रिया न करें और जल न जाएं, जिससे पीछे एक महीन, छिद्रपूर्ण पाउडर बच जाता है। यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत सरल और सस्ती है, जो इसे बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक व्यावहारिक विकल्प बनाती है। परिणामी सामग्री एक हाइब्रिड है जहाँ चुंबकीय और दुर्लभ पृथ्वी के कण ग्राफीन की परतों की सतह पर समान रूप से फैले हुए हैं, जो इलेक्ट्रिकल चार्ज को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने में मदद करने के लिए एक संवाहक नेटवर्क (कंडक्टिव नेटवर्क) के रूप में कार्य करते हैं।
जब टीम ने इस नई सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह सनसेट येलो डाई को तोड़ने में उल्लेखनीय रूप से प्रभावी रही। अपने प्रयोगों में, उन्होंने सामग्री को डाई के घोल में रखा और उसे पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश के संपर्क में लाया। 105 मिनट के भीतर, सामग्री ने पानी से 96 प्रतिशत डाई को हटा दिया था। प्रदर्शन का यह स्तर केवल ग्राफीन शीट के उपयोग से देखे गए स्तर से काफी अधिक था, जो यह सिद्ध करता है कि तीनों सामग्रियों के संयोजन ने एक सहक्रियात्मक प्रभाव (सिनर्जिस्टिक इफेक्ट) पैदा किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह सामग्री तब सबसे अच्छा काम करती है जब पानी तटस्थ (न्यूट्रल) होता है, यानी न तो बहुत अम्लीय और न ही बहुत क्षारीय, और एक विशिष्ट मात्रा में उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) का उपयोग करने से उच्चतम दक्षता प्राप्त होती है। उन्होंने यह भी पाया कि जैसे-जैसे डाई की सांद्रता बढ़ती है, सफाई की प्रक्रिया की गति धीमी हो जाती है, जिसका कारण संभवतः डाई के अणु हैं जो उत्प्रेरक तक पहुँचने वाले प्रकाश को अवरुद्ध कर देते हैं।
इस सामग्री के काम करने के तरीके को ठीक से समझने के लिए, वैज्ञानिकों ने विभिन्न उन्नत उपकरणों का उपयोग करके इसकी संरचना और व्यवहार का परीक्षण किया। उन्होंने पुष्टि की कि कण सही ढंग से बने थे और विभिन्न घटक रासायनिक रूप से एक साथ जुड़े हुए थे। सामग्री ने एक 'बैंड गैप' दिखाया, जो इसे सक्रिय करने के लिए आवश्यक ऊर्जा है, जो 3.1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट है। यह मान व्यक्तिगत घटकों की तुलना में कम है, जिसका अर्थ है कि नई सामग्री प्रकाश को अधिक प्रभावी ढंग से अवशोषित कर सकती है। ग्राफीन की परतें इलेक्ट्रॉन के लिए एक राजमार्ग के रूप में कार्य करके महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं, जिससे उन्हें 'होल्स' के साथ पुनर्संयोजित होने और अपना काम करने से पहले अपनी ऊर्जा खोने से रोका जा सके। आवेशों का यह पृथक्करण सामग्री को 'रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज' उत्पन्न करने की अनुमति देता है, जो वास्तव में डाई के अणुओं को नष्ट करने वाले एजेंट हैं। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि सामग्री स्थिर और पुन: प्रयोज्य है; पानी को साफ करने के पांच चक्रों के बाद भी, इसने अपनी अधिकांश प्रभावशीलता बनाए रखी, और इसके प्रदर्शन में केवल मामूली गिरावट आई।
शोधकर्ताओं ने रासायनिक स्कैवेंजर्स (scavengers), जो विशिष्ट प्रतिक्रियाशील कणों को पकड़ने वाले पदार्थ होते हैं, का उपयोग करके इस सफाई प्रक्रिया में विशिष्ट सक्रिय खिलाड़ियों की पहचान की। उन्होंने पाया कि सुपरऑक्साइड रेडिकल्स, जो ऑक्सीजन-आधारित अणु हैं, डाई के क्षरण के पीछे प्राथमिक शक्ति थे। हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स और पॉजिटिव होल्स ने भी प्रक्रिया में योगदान दिया, लेकिन सुपरऑक्साइड रेडिकल्स सबसे महत्वपूर्ण थे। तंत्र (मैकेनिज्म) की यह विस्तृत समझ पुष्टि करती है कि सामग्री एक सुपरिभाषित रासायनिक मार्ग के माध्यम से कार्य करती है, न कि केवल साधारण अवशोषण के माध्यम से। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह निकेल जिंक फेराइट, यट्रियम ऑक्साइड और ग्राफीन हाइब्रिड एक अत्यधिक प्रभावी उपकरण है। यह खतरनाक रंगों को पानी से हटाने के लिए एक स्थिर, पुन: प्रयोज्य और कुशल तरीका प्रदान करता है, जो महंगी या विषाक्त रासायनिक उपचारों पर निर्भर रहने के बजाय औद्योगिक अपशिष्ट जल के उपचार के लिए एक व्यवहार्य मार्ग का सुझाव देता है।
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