Hydrothermal Synthesis of Mesoporous TiO₂ Nanoparticles Using Pluronic Copolymer and EDTA: Synthesis, Characterization, and Photocatalytic Studies
यह अध्ययन प्लुरोनिक F-127 और EDTA का उपयोग करके मेसोपोरस एनाटेज TiO₂ नैनोकणों के हाइड्रोथर्मल संश्लेषण की रिपोर्ट करता है, जिनका विभिन्न तकनीकों द्वारा लक्षण वर्णन किया गया और जिन्होंने फोटोकैटलिटिक अनुप्रयोगों के लिए डाई क्षरण (dye degradation) में 76% दक्षता प्रदर्शित की।
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दुनिया लगातार अपने पानी को साफ करने और सूर्य से ऊर्जा प्राप्त करने के तरीकों की तलाश में है, ये दो ऐसी चुनौतियाँ हैं जो अक्सर एक ही तरह की सूक्ष्म-स्तरीय सामग्रियों पर निर्भर करती हैं। इस खोज के केंद्र में टाइटेनियम डाइऑक्साइड है, जो पेंट से लेकर सनस्क्रीन तक हर चीज़ में पाया जाने वाला एक सामान्य सफेद पाउडर है। हालांकि यह सामग्री प्रकाश पड़ने पर प्रदूषकों को तोड़ने में स्वाभाविक रूप से अच्छी होती है, लेकिन इसकी प्रभावशीलता काफी हद तक इसके आकार और संरचना पर निर्भर करती है। एक स्पंज की कल्पना करें: एक चिकने, ठोस स्पंज ब्लॉक का सतह क्षेत्र बहुत कम होता है, लेकिन लाखों छोटे छिद्रों और सुरंगों वाले स्पंज का एक विशाल क्षेत्र होता है जहाँ पानी स्पर्श और परस्पर क्रिया कर सके। सूक्ष्म दुनिया में, वैज्ञानिक इस तरह की छिद्रपूर्ण, उच्च-सतह-क्षेत्र वाली संरचना बनाने का प्रयास करते हैं, जिसे मेसोपोरस (mesoporous) कहा जाता है, क्योंकि यह एक साथ अधिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं को होने देता है। सामग्री के भीतर परमाणुओं की विशिष्ट व्यवस्था, विशेष रूप से एनाटेज (anatase) नामक एक रूप, यह निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है कि यह प्रकाश को कितनी अच्छी तरह अवशोषित करता है और इन सफाई प्रतिक्रियाओं को कैसे संचालित करता है।
पोंडिचेरी विश्वविद्यालय और भारत के अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं के एक दल ने 'हाइड्रोथर्मल सिंथेसिस' नामक विधि का उपयोग करके इस सामग्री का एक बेहतर संस्करण बनाने का लक्ष्य रखा। केवल रसायनों को मिलाने के बजाय, उन्होंने क्रिस्टल के निर्माण को निर्देशित करने के लिए एक 'सॉफ्ट टेम्पलेट' का उपयोग करने वाली एक विशिष्ट रणनीति अपनाई। उन्होंने एक सामान्य औद्योगिक पॉलीमर, जिसे प्लुरोनिक F-127 (Pluronic F-127) के रूप में जाना जाता है, को EDTA के साथ मिलाया, जो अणुओं को व्यवस्थित करने में मदद करने के लिए एक सर्फेक्टेंट के रूप में कार्य करता है। इन सामग्रियों को टाइटेनियम अग्रदूतों (precursors) के साथ एक घोल में मिलाया गया और फिर एक सीलबंद पात्र में उच्च दबाव के तहत गर्म किया गया, एक ऐसी प्रक्रिया जो जमीन के नीचे की स्थितियों की नकल करती है। इस वातावरण ने टाइटेनियम को एक विशिष्ट संरचना में क्रिस्टलीकृत होने के लिए प्रोत्साहित किया, जबकि पॉलीमर और सर्फेक्टेंट ने मचान (scaffolds) के रूप में कार्य किया, जिससे सामग्री के ठंडा होने और बाद में जैविक टेम्पलेट्स को हटाने के दौरान छिद्र बनने के लिए जगह बनी रही।
इसका परिणाम नैनोकणों का एक संग्रह था, जिनका शोधकर्ताओं ने विस्तार से परीक्षण किया। जब उन्होंने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके क्रिस्टल संरचना का निरीक्षण किया, तो उन्होंने पुष्टि की कि सामग्री वांछित एनाटेज चरण में बन गई थी, जो एक टेट्रागोनल आकार है और फोटोकैटलिसिस के लिए अत्यधिक सक्रिय है। क्रिस्टल उल्लेखनीय रूप से छोटे थे, जिनका माप लगभग 12 नैनोमीटर था, जो मानव बाल की चौड़ाई का लगभग दस-हजारवां हिस्सा है। एक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे, कण गोलाकार गुच्छों के रूप में दिखाई दिए, जो कुछ हद तक छोटे ब्रोकली के फूलों (florets) की तरह थे, जिनमें व्यक्तिगत दाने औसतन 11 नैनोमीटर के थे। टीम ने सामग्री के सतह क्षेत्र को भी मापा और पाया कि यह काफी बड़ा था, जो पाउडर के प्रत्येक ग्राम के लिए 45 वर्ग मीटर है। यह उच्च सतह क्षेत्र सीधे तौर पर इसकी छिद्रपूर्ण संरचना का परिणाम है, जिसकी पुष्टि शोधकर्ताओं ने लगभग 35 नैनोमीटर के औसत छिद्र व्यास के साथ की है, जो डाई अणुओं और अन्य प्रदूषकों को आसानी से प्रवेश करने और सतह के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए पर्याप्त बड़ा है।
यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह नया पदार्थ वास्तव में एक प्रकाश-संचालित क्लीनर के रूप में काम करता है, शोधकर्ताओं ने मेथिलीन ब्लू (एक सामान्य नीला रंग) के घोल को अल्ट्रावॉयलेट प्रकाश के संपर्क में रखा और साथ ही अपने नैनोकणों का भी उपयोग किया। उन्होंने समय के साथ घोल के रंग को फीका होते देखा, और अलग-अलग अंतरालों पर यह मापा कि यह डाई कितना प्रकाश अवशोषित करती है। प्रयोग ने दिखाया कि सामग्री प्रभावी थी, जिसने एक घंटे के संपर्क के भीतर डाई को 76 प्रतिशत तक तोड़ दिया। शोधकर्ताओं ने यह भी अध्ययन किया कि सामग्री के भीतर उत्तेजित इलेक्ट्रॉन पुनर्संयोजन (recombining) से पहले कितनी देर तक सक्रिय रहते हैं, जिसमें 16 नैनोसेकंड का औसत क्षय समय (decay time) पाया गया। यह समय अवधि बताती है कि चार्ज वाहक (charge carriers), जो सफाई की क्रिया के लिए जिम्मेदार होते हैं, पानी के अणुओं के साथ परस्पर क्रिया करने और डाई को नष्ट करने के लिए आवश्यक प्रतिक्रियाशील प्रजातियों को उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त समय तक फंसे रहे। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि पॉलीमर टेम्पलेट और सर्फेक्टेंट के इस विशिष्ट संयोजन का उपयोग करके हाइड्रोथर्मल प्रक्रिया में, टाइटेनियम डाइऑक्साइड का एक अत्यधिक छिद्रपूर्ण, कुशल रूप बनाना संभव है जो जल शुद्धिकरण और सौर ऊर्जा रूपांतरण में वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक है।
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