Structural, Optical, Photocatalytic, and Dielectric properties of Biosynthesized, Sol-Gel, and Simple Precipitated TiO2 nanoparticles

टाइटेनियम डाइऑक्साइड एक ऐसी सामग्री है जो हमारे चारों ओर मौजूद है, अक्सर अदृश्य लेकिन हमेशा उपस्थित। यह पेंट में सफेद रंग का पिगमेंट है, सनस्क्रीन में अपारदर्शी एजेंट है, और कई इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का एक प्रमुख घटक है। अपने सबसे बुनियादी स्तर पर, यह एक स्थिर, गैर-विषाक्त पाउडर है जो प्रकाश के साथ एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से अंतःक्रिया करता है। जब सूर्य का प्रकाश या पराबैंगनी प्रकाश इस सामग्री से टकराता है, तो यह इलेक्ट्रॉन्स को ऊर्जावान बना सकता है, जिससे बिजली का प्रवाह उत्पन्न होता है या ऐसी रासायनिक प्रतिक्रियाएं शुरू होती हैं जो प्रदूषकों को तोड़ देती हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इस सामग्री को नैनोमीटर के पैमाने तक छोटा करने में रुचि रखते रहे हैं, जहाँ इसका व्यवहार नाटकीय रूप रूप से बदल जाता है। इस सूक्ष्म आकार पर, सामग्री एक विशाल सतह क्षेत्र और अद्वितीय विद्युत गुण प्राप्त करती है, जो इसे पानी को साफ करने, ऊर्जा उत्पन्न करने या पर्यावरण को सेंस करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बनाती है। हालाँकि, वैज्ञानिक इन नैनोकणों को कैसे बनाते हैं, यह अत्यंत महत्वपूर्ण है। इन कणों को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली विधि उनके आंतरिक ढांचे, उनके प्रकाश के साथ होने वाली अंतःक्रिया और उनकी कार्यक्षमता को निर्धारित करती है।

बांग्लादेश के राजशाही यूनिवर्सिटी ऑफ इंजीनियरिंग एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों को बनाने के तीन अलग-अलग तरीकों की तुलना करने का लक्ष्य रखा। वे देखना चाहते थे कि क्या प्रकृति से प्रेरित एक विधि स्थापित रासायनिक तकनीकों का मुकाबला कर सकती है। एक तरफ, उन्होंने 'सोल-जेल' नामक एक पारंपरिक रासायनिक प्रक्रिया का उपयोग किया, जिसमें एक तरल घोल को ठोस जेल में बदला जाता है। दूसरी ओर, उन्होंने सरल अवक्षेपण (प्रिसिपिटेशन) का उपयोग किया, जहाँ रसायनों को मिलाकर तुरंत एक ठोस पदार्थ बनाया जाता है। इन दोनों के बीच, उन्होंने एक "ग्रीन" (पर्यावरण के अनुकूल) विधि पेश की, जिसमें कणों के निर्माण को निर्देशित करने के लिए सूखे नींबू के छिलके के अर्क का उपयोग किया गया। यह दृष्टिकोण फल के छिलके में पाए जाने वाले प्राकृतिक यौगिकों पर निर्भर करता है जो एक टेम्पलेट के रूप में कार्य करते हैं, जिसका उद्देश्य अधिक पर्यावरण के अनुकूल उत्पाद बनाना है। शोधकर्ताओं ने इन तीनों प्रकार के नैनोकणों को यह देखने के लिए कठोर परीक्षणों की एक श्रृंखला के अधीन किया कि उनके मूल ने उनकी संरचना, रंगों को तोड़ने की क्षमता और उनके विद्युत व्यवहार को कैसे प्रभावित किया।

जांच की शुरुआत कणों की आंतरिक वास्तुकला को देखकर हुई। एक्स-रे विवर्तन (डिफ्रैक्शन) का उपयोग करते हुए, एक तकनीक जो परमाणुओं की व्यवस्था को प्रकट करती है, टीम ने पुष्टि की कि तीनों नमूनों ने एक ही क्रिस्टल संरचना बनाई, जिसे 'एनाटेस' (anatase) के रूप में जाना जाता है। यह टाइटेनियम डाइऑक्साइड का वह विशिष्ट रूप है जो शोधकर्ताओं द्वारा अध्ययन किए जा रहे अनुप्रयोगों के लिए सबसे उपयोगी है। हालाँकि, इन क्रिस्टल का आकार और पूर्णता काफी भिन्न थी। नींबू के छिलके के अर्क से बने कण सबसे छोटे थे, जिनका क्रिस्टलीय आकार लगभग 4.3 नैनोमीटर था। सरल अवक्षेपण विधि ने 5.5 नैनोमीटर के थोड़े बड़े क्रिस्टल बनाए, जबकि सोल-जेल विधि ने सबसे बड़े 6.5 नैनोमीटर क्रिस्टल दिए। विश्लेषण ने यह भी दिखाया कि नींबू के छिलके वाली विधि ने क्रिस्टल लैटिस के भीतर सबसे अधिक आंतरिक तनाव या दबाव पैदा किया, जो संभवतः इसलिए था क्योंकि फल के प्राकृतिक कार्बनिक अणु सतह से चिपके रहे और पूर्ण क्रिस्टल विकास में बाधा डाली। इसके विपरीत, सोल-जेल और अवक्षेपण विधियों ने अधिक व्यवस्थित और सुव्यवस्थित संरचनाएं बनाईं।

जब शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे कणों को देखा, तो उन्होंने पाया कि तीनों विधियों ने लगभग गोलाकार आकार बनाए, लेकिन उनके आकार और उनके आपस में जुड़ने के तरीके में अंतर था। नींबू के छिलके वाले कणों का औसत व्यास लगभग 32 नैनोमीटर था और वे ढीले समूहों में थे, जिससे पता चलता है कि प्राकृतिक अर्क कणों को अलग रखने और उन्हें बहुत बड़ा होने से रोकने में प्रभावी था। सोल-जेल कण सबसे बड़े थे, जिनका औसत आकार 45 नैनोमीटर था, और वे सघन समूहों के रूप में दिखाई दिए। अवक्षेपण कणों का आकार ग्रीन (प्राकृतिक विधि) वाले कणों के समान था, लेकिन वे घने और अधिक एकसमान समूहों में थे। रासायनिक विश्लेषण ने पुष्टि की कि ग्रीन-सिंथेसाइज्ड कणों में अभी भी नींबू के छिलके के अर्क के अंश मौजूद थे, जो उनकी सतह पर कार्बनिक अवशेषों के रूप में दिखाई दिए, जबकि अन्य दो विधियाँ बहुत अधिक स्वच्छ थीं।

शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कणों के संरचनात्मक अंतरों का परीक्षण किया कि वे प्रकाश के साथ कैसे अंतःक्रिया करते हैं और रासायनिक कार्य कैसे करते हैं। उन्होंने सामग्री में इलेक्ट्रॉन्स को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा को मापा, जिसमें पाया गया कि ग्रीन और अवक्षेपण नमूनों में सोल-जेल नमूने की तुलना में थोड़ा कम ऊर्जा थ्रेशोल्ड था। यह छोटा सा बदलाव बताता है कि ग्रीन और अवक्षेपण नमूनों में दोषों और सतह के अवशेषों ने उन्हें थोड़ा अधिक दृश्य प्रकाश (विज़िबल लाइट) को अवशोषित करने की अनुमति दी। उनकी व्यावहारिक उपयोगिता का परीक्षण करने के लिए, टीम ने नैनोकणों को 'मिथाइलीन ब्लू' नामक एक नीले रंग के साथ पराबैंग melalui (यूवी) प्रकाश के संपर्क में रखा। लक्ष्य यह देखना था कि कण कितनी तेज़ी से इस रंग को हानिरहित घटकों में तोड़ सकते हैं। परिणाम स्पष्ट थे: सरल अवक्षेपण द्वारा बनाए गए कण सबसे प्रभावी थे, जिन्होंने रंग को सबसे तेज़ी से विघटित किया। सोल-जेल कणों ने मध्यम प्रदर्शन किया, जबकि नींबू के छिलके वाले कण सबसे कम प्रभावी रहे। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि वे कार्बनिक अवशेष, जिन्होंने ग्रीन विधि को छोटे, एकसमान कण बनाने में मदद की थी, वही ऊर्जा वाहकों के लिए जाल (ट्रैप) के रूप में भी कार्य करते हैं, जिससे वे रंग को तोड़ने का काम करने से पहले ही पुनर्संयोजित (रिकॉम्बाइन) हो जाते हैं।

अंत में, टीम ने यह परीक्षण किया कि कण विद्युत रूप से कैसे व्यवहार करते हैं, जिसमें उन्होंने विभिन्न आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) की एक विस्तृत श्रृंखला में चार्ज को संग्रहीत करने और संचालित करने की उनकी क्षमता को मापा। यहाँ, कहानी पूरी तरह बदल गई। नींबू के छel वाले कण, जो रंग को साफ करने में सबसे खराब थे, विद्युत रूप से सबसे अधिक सक्रिय सिद्ध हुए। उन्होंने कम आवृत्तियों पर विद्युत आवेश को संग्रहीत करने की विशाल क्षमता प्रदर्शित की, जो कणों की सीमाओं और उनकी सतह पर मौजूद कार्बनिक अवशेषों के बीच विद्युत आवेश के संचय से प्रेरित एक घटना है। इस "इंटरफेशियल पोलराइजेशन" ने ग्रीन नमूने को उच्चतम एसी चालकता (AC conductivity) और निम्नतम समग्र प्रतिबाधा (इम्पीडेंस) के साथ एक बेहतर चालक बनाया, हालांकि इसका मतलब यह भी था कि सामग्री अधिक ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में खो देती है। अवक्षेपण और सोल-जेल नमूनों में बहुत कम विद्युत हानि और अधिक स्थिर व्यवहार देखा गया। नींबू के छिलके वाले नमूने के विद्युत मानचित्रों ने दो अलग-अलग रिलैक्सेशन प्रक्रियाओं को प्रकट किया, जो यह दर्शाता है कि चार्ज ग्रेन बाउंड्रीज़ और सतह के दोषों के एक जटिल नेटवर्क के माध्यम से चल रहे थे, जबकि अन्य दो नमूनों ने एक सरल, अधिक एकसमान विद्युत पथ दिखाया।

यह अध्ययन अंततः यह प्रदर्शित करता है कि संश्लेषण विधि का चयन एक 'ट्रेड-ऑफ' (समझौता) पैदा करता है। नींबू के छिलके वाला मार्ग टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों को बनाने का एक सफल, पर्यावरण के अनुकूल तरीका है, जिसमें अद्वितीय विद्युत गुण हैं, विशेष रूप से उच्च चार्ज स्टोरेज, मजबूत ध्रुवीकरण और उच्च चालकता, जो इसे विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए संभावित रूप से उपयोगी बनाती है। हालाँकि, यह फोटोकैटलिटिक कार्यों जैसे जल शुद्धिकरण में दक्षता कम होने की कीमत पर आता है। सरल अवक्षेपण विधि सबसे संतुलित दृष्टिकोण के रूप में उभरी, जो अच्छे विद्युत गुणों को बनाए रखते हुए प्रदूषकों को तोड़ने के लिए सर्वोत्तम प्रदर्शन प्रदान करती है। सोल-जेल विधि एक मध्य मार्ग प्रदान करती है। निष्कर्ष बताते हैं कि जबकि प्रकृति-प्रेरित विधियाँ सामग्री डिजाइन के लिए रोमांचक नई संभावनाएँ प्रदान करती हैं, विशिष्ट अनुप्रयोग ही यह तय करता है कि कौन सी विधि श्रेष्ठ है। पर्यावरण को साफ करने के लिए, एक स्वच्छ, अत्यधिक क्रिस्टलीय संरचना आवश्यक है; विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करने या चार्ज संचालित करने के लिए, नींबू के छिलके द्वारा निर्मित जटिल, दोष-युक्त सतह एक विशिष्ट लाभ है।