Structural, Electronic, Optical and Photocatalytic Activity of Zn doped CaTiO 3 Compounds: A Combined Experimental and DFT Approach
यह अध्ययन प्रायोगिक संश्लेषण और घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी) गणनाओं को संयोजित करता है ताकि यह प्रदर्शित किया जा सके कि CaTiO₃ का जिंक डोपिंग इसके बैंडगैप को 3.52 से घटाकर 3.07 eV कर देता है, जिससे दृश्य प्रकाश अवशोषण में उल्लेखनीय वृद्धि होती है और मिथाइलीन ब्लू का 95.05% फोटोकैटलिटिक क्षरण प्राप्त होता है।
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दुनिया न केवल गर्मी के लिए, बल्कि उस पानी को साफ करने के लिए भी तेजी से सूर्य के प्रकाश की ओर मुड़ रही है जिसे हम पीते हैं और उस हवा के लिए भी जिसे हम सांस में लेते हैं। यह वादा अर्धचालकों (सेमीकंडक्टर्स) नामक सामग्रियों के एक वर्ग में निहित है, जो सौर ऊर्जा से चलने वाले छोटे कारखानों की तरह कार्य करते हैं। जब प्रकाश उन पर पड़ता है, तो वे अदृश्य आवेश (charges) उत्पन्न करते हैं जो हानिकारक प्रदूषकों को तोड़ सकते हैं, जिससे जहरीले कचरे को हानिरहित पदार्थों में बदला जा सकता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस काम के लिए टाइटेनियम डाइऑक्साइड नामक एक सामान्य सामग्री पर भरोसा करते आए हैं क्योंकि यह सुरक्षित और स्थिर है। हालांकि, इस सामग्री की एक महत्वपूर्ण सीमा है: यह केवल सूर्य के प्रकाश के पराबैंगनी (अल्ट्रावॉयलेट) भाग का उपयोग कर सकती है, जो पृथ्वी तक पहुँचने वाली ऊर्जा का एक बहुत छोटा हिस्सा है। सौर ऊर्जा का विशाल बहुमत दृश्य प्रकाश (विज़िबल लाइट) के रूप में आता है, जिसे यह सामग्री काफी हद तक अनदेखा कर देती है। सौर सफाई को वास्तव में व्यावहारिक बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इन सामग्रियों को संशोधित करने के तरीके खोजने की आवश्यकता है ताकि वे सूर्य के प्रकाश के पूर्ण स्पेक्ट्रम का दोहन कर सकें। एक आशाजनक रणनीति में अन्य धातुओं की छोटी मात्रा मिलाना शामिल है ताकि सामग्री के ऊर्जा अवशोषण के तरीके को बदला जा सके, जिसे 'डोपिंग' कहा जाता है।
एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने कैल्शियम टाइटेनेट नामक एक विशिष्ट प्रकार के खनिज को बेहतर बनाने का लक्ष्य रखा, जिसकी क्रिस्टल संरचना प्रसिद्ध टाइटेनियम डाइऑक्साइड के समान है, लेकिन इसके अपने अनूठे गुण हैं। उन्होंने कैल्शियम टाइटेनेट की संरचना में जिंक (जस्ता), जो एक सामान्य धातु है, को जोड़ने पर ध्यान केंद्रित किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह दृश्य प्रकाश को पकड़ने और प्रदूषकों को तोड़ने में सामग्री को बेहतर बना सकता है। टीम ने शुद्ध कैल्शियम टाइटेनेट और जिंक की विभिन्न मात्राओं के साथ डोप्ड किए गए दो संस्करणों के नमूने बनाए। उन्होंने परमाणुओं को आपस में जोड़ने के लिए ठोस पाउडर को मिलाने और उन्हें उच्च तापमान पर गर्म करने की एक सीधी विधि का उपयोग किया, जिसे 'सॉलिड-स्टेट रिएक्शन' तकनीक के रूप में जाना जाता है। सामग्री के भीतर परमाणु स्तर पर वास्तव में क्या हो रहा है, इसे समझने के लिए, उन्होंने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाए जिन्होंने इलेक्ट्रॉनों और परमाणुओं के व्यवहार का मॉडल तैयार किया, जिससे उन्हें प्रयोगशाला में परीक्षण करने से पहले ही यह अनुमान लगाने में मदद मिली कि नए मिश्रण कैसे व्यवहार करेंगे।
परिणामों ने दिखाया कि जिंक सफलतापूर्वक कैल्शियम टाइटेनेट की क्रिस्टल संरचना में बिना किसी अवांछित अशुद्धि के एकीकृत हो गया। जब शोधकर्ताओं ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे सामग्री को देखा, तो उन्होंने पाया कि जिंक मिलाने से कणों के आकार और बनावट में बदलाव आया। शुद्ध सामग्री छड़ जैसी संरचनाओं से बनी थी, लेकिन जैसे-जैसे जिंक की मात्रा बढ़ी, कण अधिक दानेदार और आपस में गुच्छेदार हो गए, जिससे एक खुरदरी सतह और अधिक सूक्ष्म छिद्र बन गए। बनावट में यह परिवर्तन महत्वपूर्ण है क्योंकि एक खुरदरी, अधिक छिद्रपूर्ण सतह प्रदूषकों के चिपकने और टूटने के लिए अधिक स्थान प्रदान करती है। कंप्यूटर सिमुलेशन ने पुष्टि की कि जिंक के परमाणु क्रिस्टल लैटिस के भीतर कैल्शियम के परमाणुओं को प्रतिस्थापित कर रहे थे, जिससे परमाणुओं के बीच की दूरी में मामूली बदलाव आया, जो शोधकर्ताओं द्वारा भौतिक नमूनों में देखे गए अवलोकन से मेल खाता था।
सबसे महत्वपूर्ण खोज शायद यह थी कि जिंक ने प्रकाश के साथ सामग्री की अंतःक्रिया (इंटरैक्शन) के तरीके को कैसे बदल दिया। शुद्ध कैल्शियम टाइटेनेट में एक विस्तृत ऊर्जा अंतराल (एनर्जी गैप) था, जिसका अर्थ था कि इसे सक्रिय करने के लिए उच्च-ऊर्जा वाले पराबैंगिवेशन प्रकाश की आवश्यकता थी। जिंक जोड़ने से, शोधकर्ताओं ने इस अंतराल को कम कर दिया, जिससे सामग्री कम-ऊर्जा वाले दृश्य प्रकाश को अवशोषित करने में सक्षम हो गई। जिंक की मात्रा बहुत मायने रखती थी: छह प्रतिशत जिंक वाले नमूने ने सबसे नाटकीय परिवर्तन दिखाया, जिससे इसकी प्रकाश अवशोषण की क्षमता पराबैंगनी रेंज से गहरे दृश्य स्पेक्ट्रम की ओर स्थानांतरित हो गई। यह बदलाव केवल एक सिद्धांत नहीं था; कंप्यूटर मॉडल ने इस ऊर्जा अंतराल के संकुचन की भविष्यवाणी की थी, और भौतिक माप ने उच्च सटीकता के साथ भविष्यवाणी की पुष्टि की।
यह परीक्षण करने के लिए कि क्या ये परिवर्तन इसे एक बेहतर क्लीनर बनाते हैं, टीम ने पराबैंगनी और दृश्य प्रकाश के मिश्रण के तहत मेथिलीन ब्लू नामक एक सामान्य नीले रंग के डाई को इसके संपर्क में लाया। उन्होंने दो घंटों में पानी से डाई के गायब होने की दर को मापा। शुद्ध कैल्शियम टाइटेनेट लगभग बयासी प्रतिशत डाई को तोड़ने में सफल रहा। हालांकि, जिंक-डोप्ड संस्करणों ने काफी बेहतर प्रदर्शन किया। तीन प्रतिशत जिंक वाले नमूने ने साठ प्रतिशत से अधिक (नब्बे प्रतिशत से अधिक) डाई को हटाया, जबकि छह प्रतिशत जिंक वाले नमूने ने उसी समय में पचानवे प्रतिशत की उल्लेखनीय कमी हासिल की। इस प्रतिक्रिया की गति जिंक की मात्रा के साथ लगातार बढ़ी, जिससे पता चलता है कि सामग्री न केवल अधिक प्रकाश अवशोषित कर रही थी, बल्कि प्रदूषक को नष्ट करने के लिए आवश्यक आवेश उत्पन्न करने के लिए उस ऊर्जा का अधिक कुशलता से उपयोग भी कर रही थी।
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि जिंक-डोप्ड कैल्शियम टाइटेनेट पर्यावरणीय सफाई के लिए एक अत्यधिक प्रभावी और लागत-अनुकूल सामग्री है। जिंक की थोड़ी मात्रा मिलाकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री को बदल दिया जो पराबैंगनी प्रकाश तक सीमित थी, एक ऐसी सामग्री में जो दृश्य प्रकाश के तहत अच्छी तरह से काम करती है, जो सूर्य के प्रकाश में कहीं अधिक प्रचुर है। एक संकीर्ण ऊर्जा अंतराल, अधिक सक्रिय साइटों वाली एक खुरदरी सतह और बेहतर चार्ज सेपरेशन के संयोजन ने एक ऐसा उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) बनाया जिसने कार्बनिक प्रदूषकों को तोड़ने में कई ज्ञात सामग्रियों को पीछे छोड़ दिया। हालांकि यह कार्य एक नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग में किया गया था, लेकिन निष्कर्षों से प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके अपशिष्ट जल के उपचार के लिए इन संशोधित खनिजों का उपयोग करने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग मिलता है, जो एक गंभीर पर्यावरणीय चुनौती के लिए एक स्थायी समाधान प्रदान करता है।
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