Role of Cu-O-Ce Interface on Low-Temperature CO Oxidation over CuO/CeO2
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि CuO/CeO₂ की उच्च निम्न-तापमान CO ऑक्सीकरण गतिविधि 0.5 wt% Cu लोडिंग पर अधिकतम होती है क्योंकि अत्यधिक विसरित (highly dispersed) CuO नैनोकणों का निर्माण होता है जहाँ कण के परिधि पर स्थित Cu-O-Ce इंटरफेस सक्रिय प्रजाति के रूप में कार्य करता है।
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वायु शोधन और इंजन के धुएं की सफाई की दुनिया में, कार्बन मोनोऑक्साइड को हटाना एक आम चुनौती है, जो एक रंगहीन और गंधहीन गैस है जो मनुष्यों के लिए विषाक्त होती है। इसे हटाने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर इसे ऑक्सीजन के साथ मिलाकर इसे कार्बन डाइऑक्साइड में बदलने की कोशिश करते हैं, जो कि एक बहुत अधिक सुरक्षित पदार्थ है। यह प्रक्रिया, जिसे ऑक्सीकरण (ऑक्सीडेशन) कहा जाता है, आमतौर पर इसे तेजी से करने के लिए गर्मी या एक विशेष सामग्री जिसे उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) कहते, की आवश्यकता होती है। दशकों से, इस काम के लिए सबसे अच्छी सामग्रियां प्लेटिनम या सोने जैसी कीमती धातुएं रही हैं, जो ठंडी स्थिति में भी अच्छी तरह से काम करती हैं। हालांकि, ये धातुएं दुर्लभ और महंगी हैं, जिससे शोधकर्ता तांबे और सीरियम जैसे सामान्य तत्वों से बने सस्ते विकल्पों की तलाश करने के लिए प्रेरित हुए हैं। सीरियम ऑक्साइड, एक ऐसी सामग्री जो ऑक्सीजन को संग्रहीत करने और छोड़ने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है, ने तांबे के साथ जुड़ने पर बड़ी संभावना दिखाई है, लेकिन वैज्ञानिक यह समझने के लिए संघर्ष करते रहे हैं कि वे दोनों कम तापमान पर इतनी उच्च सक्रियता पैदा करने के लिए वास्तव में एक साथ कैसे काम करते हैं।
नागोया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के एक दल ने इस पहेली को सुलझाने के लिए एक नए तरीके से कॉपर-सीरियम साझेदारी का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उत्प्रेरक को बड़ी मात्रा में तांबे से लोड करने के बजाय, जो कि एक मानक दृष्टिकोण है, उन्होंने बहुत कम मात्रा का परीक्षण किया, जो एक प्रतिशत के बहुत छोटे अंश से लेकर दो प्रतिशत तक थी। वे यह देखना चाहते थे कि क्या कोई विशिष्ट "स्वीट स्पॉट" (अनुकूल बिंदु) है जहाँ तांबा और सीरियम सबसे प्रभावी ढंग से परस्पर क्रिया करते हैं। साठ डिग्री सेल्सियस जैसे कम तापमान पर कार्बन मोनोऑक्साइड को परिवर्तित करने में इन मिश्रणों की दक्षता को सावधानीपूर्वक मापकर, उन्होंने पाया कि सबसे कुशल उत्प्रेरक वह नहीं था जिसमें सबसे अधिक तांबा था, बल्कि वह था जिसमें केवल आधा प्रतिशत तांबा था। इस निम्न स्तर पर, तांबे के परमाणु इतने पतले तरीके से फैले हुए थे कि उन्होंने सीरियम ऑक्साइड की सतह पर छोटे, अलग-थलग द्वीपों (आइसलैंड्स) का निर्माण किया, न कि बड़े टुकड़ों में आपस में जुड़ गए।
शोधकर्ताओं ने इन सूक्ष्म संरचनाओं को देखने के लिए शक्तिशाली इमेजिंग उपकरणों का उपयोग किया और पाया कि तांबे के द्वीप अविश्वसनीय रूप से छोटे थे, जिनकी चौड़ाई केवल लगभग एक नैनोमीटर थी। प्रतिक्रिया के दौरान वास्तव में क्या हो रहा था, इसे समझने के लिए, उन्होंने एक विशेष परीक्षण किया जहाँ उन्होंने हवा से सारा ऑक्सीजन हटा दिया और उत्प्रेरक को केवल कार्बन मोनोऑक्साइड खिलाई। इस ऑक्सीजन-मुक्त वातावरण में, उत्प्रेरक केवल अपनी सतह से जुड़ी ऑक्सीजन परमाणुओं का उपयोग करके ही गैस को साफ कर सकता था। उन्होंने पाया कि उपयोग किए गए ऑक्सीजन की मात्रा उन ऑक्सीजन परमाणुओं से पूरी तरह मेल खाती थी जो उन छोटे तांबे के द्वीपों के बिल्कुल किनारों पर स्थित थे। यह सुझाव देता है कि जादू तांबे के क्लस्टर के बीच में नहीं होता है, बल्कि विशेष रूप से उस सीमा (बॉर्डर) पर होता है जहाँ तांबा, सीरियम सपोर्ट से मिलता है। इसी इंटरफेस (संपर्क स्थल) पर, जहाँ एक तांबा परमाणु, एक ऑक्सीजन परमाणु और एक सीरियम परमाणु आपस में जुड़े होते हैं, प्रतिक्रिया सबसे कुशलता से होती है।
यह खोज स्पष्ट करती है कि क्यों तांबा जोड़ने से अंततः प्रति परमाणु उत्प्रेरक कम कुशल हो जाता है। जब तांबे की मात्रा आधे प्रतिशत से ऊपर जाती है, तो छोटे द्वीप बड़े होने लगते हैं, जिससे तांबे के अधिक परमाणु बनते हैं जो सीरियम सपोर्ट से दूर केंद्र में स्थित होते हैं। ये केंद्रीय परमाणु सीरियम सपोर्ट की तुलना में उतनी प्रभावी ढंग से प्रतिक्रिया में भाग नहीं लेते हैं। अध्ययन संकेत देता है कि सबसे सक्रिय स्थल वे विशिष्ट बंधन हैं जो इन नैनोस्केल तांबे के द्वीपों के परिधि (पेरिमीटर) पर बनते हैं। हालांकि इस अध्ययन में परीक्षण किया गया उत्प्रेरक उन अन्य विशिष्ट संस्करणों जितना सक्रिय नहीं था जिन्हें विभिन्न रासायनिक उपचारों की आवश्यकता होती है, इसने सिद्ध किया कि तांबे और सीरियम सपोर्ट के बीच संपर्क को अधिकतम करना उच्च प्रदर्शन की कुंजी है। यह कार्य इस प्रकार के उत्प्रेरक को काम करने के लिए आवश्यक भौतिक संरचना की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है, जो दिखाता है कि तांबे की थोड़ी मात्रा, यदि सही तरीके से फैलाई जाए, तो उसी सामग्री की बड़ी मात्रा से अधिक काम कर सकती है।
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