Tertiary-Butyl Amine Functionalized Hierarchical Nano-Acrylic Copolymers for Energy- Efficient CO₂ Sequestration and Indoor Air Remediation

हमारे घरों और कार्यालयों के भीतर की हवा अक्सर बाहर की हवा की तुलना में अधिक प्रदूषित होती है, जो एक शांत संकट है जिसे उन दीवारों ने जन्म दिया है जो हमें शरण देती हैं। जब लोग पर्याप्त ताजी हवा के आदान-प्रदान के बिना बंद स्थानों में एकत्र होते हैं, तो उनके द्वारा छोड़ी गई कार्बन डाइऑक्साइड का स्तर बढ़ जाता है जो सिरदर्द, थकान और यहाँ तक कि दीर्घकालिक स्वास्थ्य जोखिमों का कारण बन सकता है। साथ ही, इसी गैस की वैश्विक सांद्रता वायुमंडल में बढ़ रही है, जो गर्मी को रोकती है और जलवायु को बदल देती है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने तरल रसायनों का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने की कोशिश की है जो हवा से गैस को साफ करते हैं, लेकिन ये विधियाँ ऊर्जा-खपत वाली और संक्षारक (corrosive) हैं, जिससे उन्हें रोजमर्रा की इमारतों में उपयोग करना कठिन हो जाता है। चुनौती एक ऐसी सामग्री खोजने की थी जो कमरे के तापमान पर कुशलतापूर्वक कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ सके, जिसके लिए बाद में इसे छोड़ने हेतु भारी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता न हो, और जो दीवारों पर एक कोटिंग के रूप में लगाने में सुरक्षित और आसान भी हो।

मिस्र के नेशनल रिसर्च सेंटर और नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार की पेंट जैसी सामग्री विकसित की है जो इस समस्या का समाधान करती है, और यह पॉलीमर की केमिस्ट्री को बदलकर किया गया है। उन मानक तरल रसायनों के बजाय जिन्हें उच्च ऊष्मा की आवश्यकता होती है, उन्होंने एक ठोस, नैनो-आकार का पॉलीमर बनाया है जो कार्बन डाइऑक्साइड के लिए एक स्पंज की तरह कार्य करता है, लेकिन इसमें एक विशिष्ट रासायनिक तकनीक है जो इसे सामान्य इनडोर तापमान पर काम करने की अनुमति देती है। यह सामग्री स्टाइरीन (styrene), ब्यूटिल एक्रिलेट (butyl acrylate) के मिश्रण की छोटी बूंदों से बनी है, जिसमें दो विशेष एडिटिव्स शामिल हैं: ग्लाइसीडिल मेथैक्रिलेट (glycidyl methacrylate), जो भविष्य के बॉन्डिंग के लिए रिएक्टिव रिंग प्रदान करता है, और एक्रिलिक एसिड (acrylic acid), जिसे समय से पहले प्रतिक्रिया रोकने के लिए न्यूट्रलाइज करने की आवश्यकता होती है।

यह सफलता इस बात से आई कि शोधकर्ताओं ने मिश्रण के अम्लीय भाग को कैसे न्यूट्रलाइज किया। पारंपरिक तरीकों में, वैज्ञानिक अमोनियम हाइड्रॉक्साइड का उपयोग करते हैं, जो एक सामान्य रसायन है जो पेंट सूखने पर आसानी से वाष्पित हो जाता है, जिससे पीछे एक ऐसी सामग्री बच जाती है जो कार्बन डाइऑक्साइड को कैप्चर नहीं कर सकती। इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने उस वाष्पशील रसायन को टर्शियरी-ब्यूटिल अमीन (tertiary-butyl amine) से बदल दिया, जो एक भारी अणु है जो सूखे हुए फिल्म के भीतर लॉक रहता है। इस बदलाव ने उन अवांछित साइड रिएक्शंस को रोका जो निर्माण के दौरान सामग्री की संरचना को खराब कर सकते थे। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इसने सूखे पेंट फिल्म के भीतर सक्रिय साइटों (active sites) की एक उच्च सांद्रता छोड़ दी है जो हवा से कार्बन डाइऑक्साइड के अणुओं को पकड़ने के लिए तैयार हैं।

जब शोधकर्ताओं ने इन नई फिल्मों का परीक्षण किया, तो अंतर स्पष्ट था। पारंपरिक वाष्पशील रसायन से बना एक कंट्रोल सैंपल लगभग कोई कार्बन डाइऑक्साइड नहीं निकाल पाया, जिसने गुजरने वाली गैस का तीन प्रतिशत से भी कम हिस्सा कैप्चर किया। इसके विपरीत, नए अमीन-आधारित न्यूट्रलाइज़र से बनी फिल्म ने हवा के प्रवाह से लगभग आधी कार्बन डाइऑक्साइड को हटा दिया, जिसने 30 डिग्री सेल्सियस के आरामदायक कमरे के तापमान पर केवल दस मिनट के भीतर 49.2 प्रतिशत की निष्कासन दक्षता हासिल की। इस सामग्री ने गैस को केवल अपनी सतह पर ही नहीं रोका; बल्कि इसने बाइकार्बोनेट कॉम्प्लेक्स बनाने के लिए इसके साथ रासायनिक बंधन बनाया, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें उलटने के लिए बहुत कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसका अर्थ है कि इस सामग्री को केवल थोड़ा गर्म करके "रीचार्ज" किया जा सकता है, जिससे पकड़ी गई गैस मुक्त हो जाती है और सतह फिर से काम करने के लिए तैयार हो जाती है।

सामग्री की संरचना इसके प्रदर्शन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि नए रासायनिक व्यवस्था ने पॉलीमर श्रृंखलाओं को सूजने और छोटे, अलग-अलग क्षेत्रों में विभाजित होने के लिए प्रेरित किया। फिल्म के कुछ हिस्से कठोर और सख्त रहे, जबकि अन्य नरम, जल-प्रेमी द्वीपों के रूप में बने जहाँ कार्बन डाइऑक्साइड के साथ रासायनिक प्रतिक्रिया होती है। ये नरम क्षेत्र सूक्ष्म जलाशयों के रूप में कार्य करते हैं जो प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक नमी को थामे रखते हैं, जिससे प्रभावी रूप से पूरे पेंट में सूक्ष्म प्रतिक्रिया साइटों का एक नेटवर्क बनता है। यह आंतरिक वास्तुकला गैस को फिल्म के माध्यम से आसानी से गुजरने और सक्रिय साइटों तक पहुँचने की अनुमति देती है, जिससे एक निष्क्रिय दीवार कोटिंग एक सक्रिय एयर क्लीनर में बदल जाती है।

अपनी हवा को साफ करने की क्षमता के अलावा, यह नई सामग्री एक मजबूत कोटिंग साबित हुई। इसकी जटिल आंतरिक केमिस्ट्री के बावजूद, सूखी हुई फिल्में खरोंच का विरोध करने के लिए पर्याप्त कठोर और सतहों से मजबूती से चिपकने के लिए पर्याप्त मजबूत थीं, जो औद्योगिक पेंट के मानकों को पूरा करती हैं। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह सामग्री एक विशिष्ट रासायनिक मार्ग के माध्यम से काम करती है जहाँ अमीन समूह पानी के अणुओं से एक हाइड्रोजन खींचकर हाइड्रोक्साइड आयन बनाता है, जो फिर बाइकार्बोनेट बनाने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड पर हमला करता है। यह तंत्र उन पुराने तरीकों से अलग है जो मजबूत बंधन बनाने पर निर्भर करते हैं जिन्हें तोड़ना कठिन होता है, जिससे यह नई सामग्री बहुत कम ऊर्जा लागत के साथ काम कर पाती है।

हालाँकि परिणाम उत्साहजनक हैं, शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि इसे वास्तविक दुनिया में उपयोग के लिए बड़े पैमाने पर ले जाने के लिए और काम करने की आवश्यकता होगी। इस पेंट को बनाने के लिए उपयोग किया जाने वाला तरल मिश्रण नए रसायन की सांद्रता बढ़ने के साथ अत्यंत गाढ़ा हो गया, जिससे इसे बड़े औद्योगिक कारखानों में पंप करना और मिलाना कठिन हो सकता है। इसके अतिरिक्त, बहुत अधिक आर्द्रता या हवा में अन्य प्रदूषकों की उपस्थिति से सामग्री के प्रदर्शन पर प्रभाव पड़ सकता है, और गैस को पकड़ने और छोड़ने के सैकड़ों चक्रों के बाद कोटिंग के दीर्घकालिक स्थायित्व का अभी तक पूरी तरह से परीक्षण नहीं किया गया है। टीम का सुझाव है कि भविष्य के संस्करणों में इस तकनीक को अन्य सामग्रियों के साथ जोड़ा जा सकता है ताकि स्मार्ट कोटिंग बनाई जा सके जो न केवल हवा को साफ करे बल्कि प्रकाश या गर्मी का उपयोग करके खुद को पुनर्जीवित भी कर सके।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि पॉलीमर बनाने के लिए रसायनों के चयन को सावधानीपूर्वक बदलकर, कमरे के तापमान पर कुशलतापूर्वक कार्बन डाइऑक्साइड को कैप्चर करने वाली एक ठोस सामग्री बनाना संभव है। यह अध्ययन "एंटी-कार्बोनेशन" पेंट विकसित करने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो साधारण इमारतों को हवा को साफ करने में सक्रिय भागीदार में बदल सकता है, जो इनडोर वायु गुणवत्ता और ग्रीनहाउस गैसों को कम करने के व्यापक प्रयास, दोनों के लिए एक संभावित समाधान पेश करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि ऊर्जा-कुशल कार्बन कैप्चर की कुंजी विशाल औद्योगिक संयंत्रों में नहीं, बल्कि उन सामग्रियों की सूक्ष्म वास्तुकला में निहित है जो हमारी दीवारों को ढंकती हैं।