Solid-state, rapid mechanochemical pathway for zinc phthalocyanine-embedded Schiff-Base polymer-TiO2 nanocomposite for LED assisted efficient photochemical remediation of hexavalent chromium

पानी जीवन का आधार है, फिर भी यह अदृश्य आक्रमणकारियों द्वारा तेजी से खतरे में डाला जा रहा है: भारी धातुएं। इनमें से, हेक्सावेलेंट (षष्ठक) रूप में क्रोमियम विशेष रूप से खतरनाक है। यह एक विषैला पदार्थ है जो हमारे द्वारा ली जाने वाली हवा, खाए जाने वाले भोजन या पिए जाने वाले पानी के माध्यम से हमारे शरीर में प्रवेश कर सकता है। एक बार शरीर के भीतर जाने के बाद, यह गुर्दे, फेफड़ों और त्वचा को नुकसान पहुंचा सकता है, और कैंसर का कारण बनने के लिए जाना जाता है। प्रकृति और मानव उद्योग दोनों ही इस धातु को पर्यावरण में छोड़ते हैं, लेकिन इसकी सफाई करना कठिन है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस घातक हेक्वेलेंट क्रोमियम को एक बहुत अधिक सुरक्षित, कम विषैले संस्करण में बदलने का तरीका खोज रहे हैं, जिसे ट्राइवेलेंट (त्रिक) क्रोमियम कहा जाता है। इस काम के लिए सबसे आशाजनक उपकरणों में से एक टाइटेनियम डाइऑक्साइड नामक सामग्री है, जो एक सफेद पाउडर है और अक्सर पेंट और सनस्क्रीन में पाया जाता है। प्रकाश पड़ने पर, यह पाउडर एक छोटे कारखाने की तरह कार्य कर सकता है, जो प्रदूषकों को तोड़ने या बदलने के लिए ऊर्जा का उपयोग करता है। हालाँकि, इसमें एक पेंच है: मानक टाइटेनियम डाइऑक्साइड केवल पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश के संपर्क में आने पर काम करता है, जो सूर्य के प्रकाश में तो पाया जाता है लेकिन हमारे घरों और शहरों में उपयोग किए जाने वाले कृत्रिम प्रकाश में नहीं मिलता। इस तकनीक को दैनिक जल उपचार के लिए उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसे तरीके की आवश्यकता थी जिससे यह सामग्री उस दृश्यमान प्रकाश (विज़िबल लाइट) के प्रति प्रतिक्रिया दे सके जो हमारे चारों ओर मौजूद है।

भारत और दक्षिण कोरिया के संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया, हाइब्रिड (संकर) पदार्थ बनाकर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जो सामान्य प्रकाश के तहत कुशलतापूर्वक कार्य करता है। उन्होंने टाइटेनियम डाइऑक्साइड को जिंक थैलोसाइनिन नामक एक विशेष कार्बनिक अणु के साथ मिलाने की एक विधि विकसित की, जो एक पॉलीमर श्रृंखला के भीतर समाहित है। इस प्रक्रिया को एक अत्यधिक संवेदनशील सौर सेल को एक मजबूत स्पंज के साथ मिलाने जैसा समझें; लक्ष्य एक ऐसा सम्मिश्र (कंपोजिट) बनाना था जो जहरीले क्रोमियम को पकड़ सके और फिर दृश्यमान प्रकाश का उपयोग करके इसे निष्प्रभावी कर सके। शोधकर्ताओं ने मेकेनोकेमिस्ट्री (यांत्रिक रसायन विज्ञान) नामक एक तकनीक का उपयोग किया, जो अनिवार्य रूप से खरल और मूसल (मोर्टार एंड पेस्टल) में सामग्रियों को पीसने की एक ठोस-अवस्था विधि है। तरल विलायकों की बड़ी मात्रा और लंबे समय तक गर्म करने के बजाय, उन्होंने केवल सूखे घटकों को एक उत्प्रेरक के साथ मिलकर पीस दिया। इस तीव्र, कम ऊर्जा वाले दृष्टिकोण ने उन्हें जिंक थैलोसाइनिन पॉलीमर को सीधे टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों की सतह पर जोड़ने की अनुमति दी, जिससे एक नया नैनोकंपोजिट पदार्थ बन गया।

टीम ने इस नए पदार्थ को एक नियंत्रित प्रयोग में परखा जो जल उपचार की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। उन्होंने एक रिएक्टर में हेक्सावेलेंट क्रोमियम युक्त घोल रखा, जो एक मानक सौ-वाट के एलईडी (LED) प्रकाश से सुसज्जित था, जो घरों में पाए जाने वाले कई ऊर्जा-कुशल बल्बों के समान है। प्रकाश चालू करने से पहले, उन्होंने मिश्रण को अंधेरे में रहने दिया ताकि सुनिश्चित हो सके कि सामग्री के पास क्रोमियम आयनों से भौतिक रूप से चिपकने का समय हो। जब एलईडी चालू किया गया, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। नया सम्मिश्र पदार्थ, जिसे शोधकर्ताओं ने ZnPc_SB@TiO2 नाम दिया, ने लगभग तुरंत जहरीले क्रोमियम को बदलना शुरू कर दिया। नब्बे मिनट तक दृश्यमान प्रकाश के संपर्क में रहने के बाद, सामग्री ने सफलतापूर्वक ८८ प्रतिशत खतरनाक हेक्सावेलेंट क्रोमियम को सुरक्षित ट्राइवेलेंट रूप में परिवर्तित कर दिया। एक प्रत्यक्ष तुलना में, शोधकर्ताओं ने ठीक उन्हीं परिस्थितियों में सादे टाइटेनियम डाइऑक्साइड का परीक्षण किया। बिना किसी विशेष कार्बनिक कोटिंग वाले मूल पाउडर ने कुछ भी खास नहीं किया, और दस प्रतिशत से भी कम प्रदूषक को परिवर्तित कर सका। यह स्पष्ट अंतर साबित करता है कि जिंक थैलोसिनिन पॉलीमर का जोड़ केवल एक मामूली बदलाव नहीं था, बल्कि एक मौलिक परिवर्तन था जिसने दृश्यमान प्रकाश के साथ काम करने की सामग्री की क्षमता को खोल दिया।

यह समझने के लिए कि यह नया पदार्थ इतना अच्छा क्यों काम कर रहा था, शोधकर्ताओं ने इसके भौतिक और रासायनिक गुणों का विस्तार से परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि दोनों सामग्रियों के संयोजन ने एक नई इलेक्ट्रॉनिक संरचना बनाई जिससे यह सामग्री अकेले टाइटेनियम डाइऑक्साइड की तुलना में प्रकाश ऊर्जा की एक विस्तृत श्रेणी को अवशोषित करने में सक्षम हो गई। कार्बनिक पॉलीमर एक संवेदीकरण एजेंट (सेंसिटाइज़र) के रूप रूप में कार्य करता है, जो दृश्यमान प्रकाश को पकड़ता है और रासायनिक प्रतिक्रिया को चलाने के लिए वह ऊर्जा टाइटेनियम डाइऑक्साइड को स्थानांतरित करता है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने पाया कि पानी की अम्लता ने एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। यह प्रक्रिया एक अम्लीय वातावरण में सबसे अच्छा काम करती है, जहाँ सामग्री की सतह धनात्मक रूप से आवेशित हो जाती है, जो प्रभावी रूप से ऋणात्मक रूप से आवेशित क्रोमियम आयनों को आकर्षित करती है और उन्हें उपचार के लिए करीब रखती है। यह सामग्री टिकाऊ भी सिद्ध हुई; टीम चार लगातार चक्रों के लिए पाउडर को पुनः प्राप्त करने, साफ करने और पुन: उपयोग करने में सक्षम रही। हालांकि प्रत्येक उपयोग के साथ इसकी दक्षता थोड़ी कम हो गई, फिर भी यह अत्यधिक प्रभावी बनी रही, जो यह सुझाव देती है कि यह पानी को साफ करने के लिए एक व्यावहारिक, दीर्घकालिक समाधान हो सकता है।

यह कार्य पर्यावरण सुधार के लिए एक ऐसे मार्ग को उजागर करता है जो सरल, ऊर्जा-कुशल उपकरणों पर निर्भर है। सामान्य एलईडी लाइटिंग के प्रति प्रतिक्रिया देने वाली सामग्री बनाने के लिए ठोस-अवस्था पीसने की विधि का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि महंगी मशीनों या कठोर रसायनों की आवश्यकता के बिना खतरनाक भारी धातुओं को हटाना संभव है। अध्ययन यह सुझाव देता है कि विशिष्ट कार्बनिक अणुओं के साथ सामान्य फोटोकैटलिस्ट (प्रकाश-उत्प्रेरक) का सतही संशोधन वास्तविक दुनिया की स्थितियों में उनके प्रदर्शन को नाटकीय रूप से बढ़ा सकता है। हालांकि यह शोध अभी प्रयोगशाला चरण में है, उच्च रूपांतरण दर और सामग्री को पुन: उपयोग करने की क्षमता एक ऐसे भविष्य की सम्मोहक झलक प्रदान करती है जहाँ जल उपचार प्रणालियाँ मानक इलेक्ट्रिक लाइटों की चमक के नीचे शांति से और कुशलता से चल सकती हैं, और एक घातक प्रदूषक को एक हानिरहित पदार्थ में बदल सकती हैं।