Construction of a CeO 2 /ZnO/NH 2 -MIL-101(Fe) Ternary Heterojunction for Efficient Visible-Light-Driven Photocatalytic Reduction of U(Ⅵ): Enhanced Charge Separation and Uranium Immobilization Mechanism
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक संश्लेषित CeO₂/ZnO/NH₂-MIL-101(Fe) त्रिकीय हेटरोजंक्शन (ternary heterojunction) कई युग्मित इंटरफेस स्थापित करके, जो सहक्रियात्मक आवेश पृथक्करण और इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को बढ़ावा देते हैं, दृश्य-प्रकाश-संचालित U(VI) के न्यूनीकरण को 95.1% दक्षता तक महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, जबकि मजबूत संरचनात्मक स्थिरता और पुनर्चक्रण क्षमता बनाए रखता है।
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यूरेनियम से दूषित पानी पर्यावरण और मानव स्वास्थ्य के लिए एक निरंतर और खतरनाक समस्या है। यूरेनियम एक भारी धातु है जो परमाणु ऊर्जा को ईंधन देती है, लेकिन जब यह नदियों या भूजल में रिसता है, तो यह हजारों वर्षों तक विषाक्त और रेडियोधर्मी बना रहता है। पानी में, यूरेनियम अक्सर यूरेनियम(VI) नामक रूप में मौजूद होता है, जो अत्यधिक घुलनशील है और आसानी से जमीन के माध्यम से फैल सकता है, जिससे प्रदूषण फैलता है। एक अधिक स्थिर और कम खतरनाक रूप यूरेनियम(IV) है, जो पानी में अच्छी तरह से नहीं घुलता और ठोस के रूप में पानी से नीचे बैठ जाता है। सफाई का लक्ष्य खतरनाक, गतिशील यूरेनियम को इस सुरक्षित, ठोस रूप में बदलना है। जबकि पारंपरिक तरीके पानी से यूरेनियम को हटा सकते हैं, वे अक्सर समस्या को केवल तरल से ठोस कचरे में स्थानांतरित कर देते हैं, या उनके लिए महंगे रसायनों और ऊर्जा की आवश्यकता होती है। एक अधिक सुरुचिपूर्ण समाधान में सूर्य के प्रकाश का उपयोग करना शामिल है जो यूरेनियम को स्थायी रूप से सुरक्षित रूप से लॉक करने के लिए एक रासायनिक परिवर्तन को संचालित करता है।
चीन के हारबिन इंजीनियरिंग यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने, नेवाडा विश्वविद्यालय के एक सहयोगी के साथ मिलकर, इसी उद्देश्य के लिए सूर्य के प्रकाश का उपयोग करने हेतु एक नया पदार्थ विकसित किया है। उन्होंने एक विशेष उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) बनाया है जो घुले हुए यूरेनियम को ठोस में बदलने के लिए एक सौर-संचालित मशीन की तरह कार्य करता है। यह नई सामग्री तीन अलग-अलग घटकों को मिलाकर बनाई गई है: एक मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (धातु-कार्बनिक ढांचा), जो लोहे और कार्बनिक अणुओं से बना एक छिद्रपूर्ण क्रिस्टल है; जिंक ऑक्साइड; और सीरियम ऑक्साइड। टीम ने इन सामग्रियों को एक एकल, एकीकृत संरचना बनाने के लिए एक ताप-आधारित रासायनिक प्रक्रिया का उपयोग करके आपस में मिलाया। उन्होंने तीनों सामग्रियों के विभिन्न अनुपात के साथ कई संस्करणों का परीक्षण किया ताकि सही संतुलन पाया जा सके। सबसे प्रभावी संस्करण, जिसमें तीनों सामग्रियों के विशिष्ट अनुपात थे, दृश्य प्रकाश (विज़िबल लाइट) के तहत यूरेनियम को साफ करने में उल्लेखनीय रूप से कुशल साबित हुआ।
शोधकर्ताओं ने अपने सबसे अच्छे पदार्थ का प्रयोगशाला सेटिंग में यूरेनियम की थोड़ी मात्रा वाले पानी के साथ परीक्षण किया। जब उन्होंने मिश्रण पर दृश्य प्रकाश डाला, तो उत्प्रेरक ने तेजी से काम किया। एक घंटे के भीतर, इसने लगभग सभी घुले हुए यूरेनियम को उसके ठोस, अघुलनशील रूप में सफलतापूर्वक बदल दिया। उन प्रयोगों में जहाँ पानी से ऑक्सीजन निकाल दी गई थी, दक्षता 95 प्रतिशत से अधिक पहुँच गई। यह प्रदर्शन अकेले आधार सामग्री या केवल एक जोड़े गए ऑक्साइड के उपयोग की तुलना में काफी बेहतर था। इस सफलता की कुंजी यह है कि तीनों घटक एक साथ कैसे काम करते हैं। मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क एक स्पंज की तरह कार्य करता है, जो पानी से यूरेनियम को सोख लेता है और सूर्य के प्रकाश को पकड़ लेता है। जिंक ऑक्साइड प्रकाश से उत्पन्न होने वाले विद्युत आवेशों (इलेक्ट्रिकल चार्जेस) को स्थानांतरित करने में मदद करता है, जबकि सीरियम ऑक्साइड एक बफर के रूप में कार्य करता है ताकि वे आवेश एक-दूसरे को रद्द न कर सकें। उन्हें मिलाकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा मार्ग बनाया जो सूर्य के प्रकाश से प्राप्त विद्युत ऊर्जा को कुशलतापूर्वक यूरेनियम तक प्रवाहित होने देता है, जिससे वह रासायनिक परिवर्तन मजबूर होता है जो इसे सुरक्षित बनाता है।
यह समझने के लिए कि वास्तव में यह प्रक्रिया कैसे काम करती है, टीम ने विभिन्न उच्च-तकनीकी उपकरणों के साथ सामग्री का परीक्षण किया। उन्होंने पुष्टि की कि क्रिस्टल संरचना बरकरार रही और विभिन्न भाग रासायनिक रूप से जुड़े हुए थे। उन्होंने यह भी मापा कि सामग्री कितनी रोशनी अवशोषित करती है और इसमें विद्युत आवेश कितनी आसानी से घूम सकते हैं। परिणामों ने दिखाया कि नया पदार्थ आधार सामग्री की तुलना में अधिक दृश्य प्रकाश अवशोषित करता है और विद्युत आवेशों को लंबे समय तक अलग रखता है। यह पृथक्करण महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि आवेश बहुत जल्दी पुनर्संयोजित (recombine) हो जाते हैं, तो ऊर्जा पानी को साफ करने के बजाय गर्मी के रूप में नष्ट हो जाती है। टीम ने प्रक्रिया को लगातार पांच बार चलाकर सामग्री के स्थायित्व का भी परीक्षण किया। कई बार उपयोग के बाद भी, सामग्री ने अपनी मूल प्रभावशीलता का लगभग 78 प्रतिशत बनाए रखा, और रासायनिक परीक्षणों ने दिखाया कि सामग्री स्वयं टूटती नहीं है या पानी में हानिकारक आयन नहीं छोड़ती है।
अध्ययन ने उन स्थितियों की भी खोज की जिनमें यह प्रक्रिया सबसे अच्छी तरह काम करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रक्रिया को कुशलतापूर्वक आगे बढ़ाने के लिए पानी का थोड़ा अम्लीय होना आवश्यक है, जिसका pH 5 हो। उन्होंने पाया कि फॉर्मिक एसिड (एक सरल कार्बनिक यौगिक) की थोड़ी मात्रा जोड़ने से प्रक्रिया में काफी मदद मिली, क्योंकि यह विद्युत आवेशों को अपनी ऊर्जा बर्बाद करने से रोकता है। इस योज्य (additive) के बिना, प्रतिक्रिया बहुत धीमी थी। टीम ने मेथनॉल और इथेनॉल जैसे अन्य सामान्य योजकों का भी परीक्षण किया, लेकिन फॉर्मिक एसिड सबसे प्रभावी साबित हुआ। विशिष्ट रासायनिक प्रजातियों को पकड़ने वाले प्रयोगों की एक श्रृंखला के माध्यम से, उन्होंने निर्धारित किया कि सफाई को चलाने वाली प्राथमिक शक्ति सूर्य के प्रकाश से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह था। ये इलेक्ट्रॉन ही मुख्य एजेंट थे जिन्होंने यूरेनियम को रूपांतरित किया, जबकि अन्य प्रतिक्रियाशील प्रजातियों ने माध्यमिक भूमिका निभाई।
यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि रेडियोधर्मी अपशिष्ट के उपचार के लिए एक मजबूत, सौर-संचालित प्रणाली बनाना संभव है। नया उत्प्रेरक केवल यूरेनियम को फ़िल्टर नहीं करता है; यह इसे रासायनिक रूप से एक हानिरहित ठोस में बदल देता है जिसे सुरक्षित रूप से संग्रहीत किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि सामग्रियों के संयोजन को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, वे पिछली विधियों की सीमाओं, जैसे कि ऊर्जा का तेजी से नुकसान और दृश्य प्रकाश का उपयोग करने में असमर्थता, को दूर कर सकते हैं। हालांकि इस सामग्री को वास्तविक दुनिया के वातावरण में अभी और परीक्षण की आवश्यकता है, प्रयोगशाला के परिणाम एक आशाजनक राह सुझाते हैं। सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके यूरेनियम को स्थिर करने की क्षमता एक ऐसा समाधान प्रदान करती है जो ऊर्जा-कुशल और पर्यावरण के अनुकूल दोनों है, जो सूर्य की शक्ति का उपयोग करके एक निरंतर प्रदूषक को एक स्थिर ठोस में बदल देती है।
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