A Sustainable and Environmental-Friendly Acid-Reduced Route for Graphene Oxide Synthesis Through Modified Hummers Method

आधुनिक सामग्रियों की दुनिया में, बहुत कम पदार्थों ने वैज्ञानिकों की कल्पना को ग्राफीन की तरह जकड़ा है। यह कार्बन परमाणुओं की एक शीट है, जो मधुमक्खी के छत्ते जैसे पैटर्न में व्यवस्थित है और इतनी पतली है कि यह प्रभावी रूप से द्वि-आयामी (two-dimensional) है। यह सामग्री अविश्वसनीय रूप से मजबूत है, आसानी से बिजली का संचालन करती है, और बिना टूटे मुड़ी या खींची जा सकती है। हालाँकि, शुद्ध ग्राफीन के साथ काम करना कठिन है क्योंकि यह पानी या अन्य सामान्य तरल पदार्थों के साथ अच्छी तरह से नहीं मिल पाता, जिससे इसे कई व्यावहारिक उपकरणों में उपयोग करना कठिन हो जाता है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ता ग्राफीन के एक 'कजिन' यानी संबंधी, ग्राफीन ऑक्साइड की ओर रुख करते हैं। यह सामग्री उसी सपाट, शीट जैसी संरचना को बनाए रखती है लेकिन यह ऑक्सीजन-आधारित समूहों से ढकी होती है जो छोटे हुक की तरह कार्य करते हैं, जिससे शीट को पानी में समान रूप से फैलने में मदद मिलती है। यह ग्राफीन ऑक्साइड को मेडिकल सेंसर से लेकर बेहतर बैटरी तक, हर चीज़ के लिए एक बहुमुखी निर्माण खंड बनाता है।

ग्राफीन ऑक्साइड बनाने का मानक तरीका दशकों से उपयोग में है, लेकिन इसकी एक भारी पर्यावरणीय कीमत है। पारंपरिक विधि ग्रेफाइट (जो पेंसिल में पाया जाने वाला नरम कार्बन है) को तोड़ने और उसमें ऑक्सीजन जोड़ने के लिए उस पर सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड की भारी मात्रा डालने पर निर्भर करती है। यह प्रक्रिया प्रभावी तो है, लेकिन यह विषाक्त कचरे की विशाल मात्रा उत्पन्न करती है और इसमें शामिल गर्मी और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कारण महत्वपूर्ण सुरक्षा जोखिम पैदा करती है। जैसे-जैसे उद्योग इन सामग्रियों का बड़े पैमाने पर उत्पादन करने की ओर देख रहे हैं, एक स्वच्छ, सुरक्षित दृष्टिकोण की आवश्यकता अत्यंत आवश्यक हो गई है। चुनौती इस बात में निहित है कि कार्बन की परतों को अलग करने और उन्हें ऑक्सीजन से भरने का एक ऐसा तरीका कैसे खोजा जाए जिसमें खतरनाक एसिड में प्रक्रिया को डुबोना न पड़े।

भारत के मार थॉमस कॉलेज के शोधकर्ताओं की एक टीम ने पारंपरिक विधि के एक संशोधित संस्करण को विकसित करके इस चुनौती का समाधान किया है, जो एसिड के उपयोग को काफी कम कर देता है। अतीत में उपयोग किए जाने वाले सल्फ्यूरिक एसिड के भारी आयतन पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने एक ऐसी रणनीति पेश की जिसमें ग्रेफाइट को तैयार करने के लिए फास्फोरिक एसिड के साथ बहुत कम मात्रा में एसिड का मिश्रण उपयोग किया गया। इसके बाद उन्होंने सावधानीपूर्वक एक रासायनिक ऑक्सीडेंट, पोटेशियम परमैंगनेट, को छोटे, नियंत्रित हिस्सों में मिलाया और मिश्रण को ठंडा रखा। इस सावधानीपूर्वक गति नियंत्रण ने खतरनाक ताप वृद्धि को रोका और यह सुनिश्चित किया कि ग्रेफाइट पूरी तरह से ऑक्सीकृत हो जाए। एक बार प्रतिक्रिया पूरी हो जाने के बाद, उन्होंने इसे हाइड्रोजन पेरोक्साइड के साथ रोका और किसी भी शेष धातु लवण को हटाने के लिए सामग्री को तनु हाइड्रोक्लोरिक एसिड के साथ धोया, और अंत में उत्पाद को एक महीन पाउडर के रूप में सुखा लिया।

इस नए दृष्टिकोण के परिणामों की पुष्टि विस्तृत परीक्षणों की एक श्रृंखला के माध्यम से की गई। जब शोधकर्ताओं ने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके सामग्री की संरचना का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि कार्बन की परतें काफी फैल गई थीं, जो मूल ग्रेफाइट की लगभग 0.34 नैनोमीटर की संकीर्ण दूरी से बढ़कर नए उत्पाद में 0.82 नैनोमीटर हो गई थीं। यह विस्तार इंगित करता है कि ऑक्सीजन समूहों और पानी के अणुओं ने सफलतापूर्वक कार्बन शीटों के बीच खुद को फंसा लिया था, जिससे उन्हें दूर धकेल दिया गया। इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से आगे के विश्लेषण ने हाइड्रोक्सिल और कार्बोनिल समूहों सहित ऑक्सीजन-आधारित रासायनिक समूहों की प्रचुर उपस्थिति का खुलासा किया, जो पानी के साथ मिलने की सामग्री की क्षमता के लिए आवश्यक हैं। टीम ने कार्बन और ऑक्सीजन परमाणुओं के अनुपात को भी मापा और पाया कि यह लगभग 1.7 से 1 था, जो एक अत्यधिक ऑक्सीकृत और प्रभावी उत्पाद का संकेत है।

सामग्री के दृश्य निरीक्षणों ने दिखाया कि ग्रेफाइट सफलतापूर्वक पतली, झुर्रीदार शीटों में बदल गया था जो नाजुक, झुर्रीदार कागज के ढेर जैसा दिखता था। ये शीट एकल परतें नहीं थीं बल्कि लगभग दस परतों के छोटे समूहों में व्यवस्थित थीं, जो कई अनुप्रयोगों के लिए एक आदर्श संरचना है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि यह प्रक्रिया उल्लेखनीय रूप से कुशल थी, जिसने प्रतिक्रिया के दौरान जोड़े गए ऑक्सीजन के कारण शुरुआती सामग्री के द्रव्यमान से लगभग दोगुना उत्पादन किया। शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि इस नई विधि ने पारंपरिक तकनीकों की तुलना में एसिड की खपत को 91 प्रतिशत से अधिक कम कर दिया। इस कमी का अर्थ है उपचार के लिए बहुत कम खतरनाक कचरा और एक बहुत अधिक सुरक्षित कार्य वातावरण, जबकि अंतिम ग्राफीन ऑक्साइड की उच्च गुणवत्ता को भी बरकरार रखा गया है।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पुराने तरीकों के अत्यधिक रासायनिक बोझ के बिना उच्च-गुणवत्ता वाले ग्राफीन ऑक्साइड का उत्पादन करना संभव है। प्रतिक्रिया की स्थितियों को सूक्ष्मता से नियंत्रित करके और एसिड की मात्रा को कम करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि सामग्री को अधिक सुरक्षा और कम पर्यावरणीय प्रभाव के साथ बनाया जा सकता है। परिणामी उत्पाद ऊर्जा भंडारण, सेंसर और चिकित्सा उपकरणों के लिए आवश्यक संरचनात्मक अखंडता और रासायनिक गुणों को बनाए रखता है। यह कार्य सुझाव देता है कि इन उन्नत नैनोमटेरियल्स के सतत निर्माण का मार्ग सुरक्षा के लिए गुणवत्ता का त्याग करने की आवश्यकता नहीं है; इसके बजाय, एक अधिक सावधानीपूर्वक, नियंत्रित दृष्टिकोण दोनों को प्राप्त कर सकता है।