Enhanced Crystal Violet dye degradation using Artemisia plant-based synthesized Indium- doped ZnO nanocomposites under UV- Irradiation

तकनीकी सारांश: Artemisia पादप-आधारित संश्लेषित इंडियम-डोपेड ZnO नैनोकम्पोजिट्स का उन्नत क्रिस्टल वॉयलेट डाई क्षरण

समस्या विवरण
कृत्रिम रंगों, विशेष रूप से क्रिस्टल वॉयलेट (CV), का जलीय पारिस्थितिक तंत्रों में विसर्जन महत्वपूर्ण पर्यावरणीय और स्वास्थ्य जोखिम पैदा करता है, जिसमें जल का विऑक्सीकरण (deoxygenation), प्रकाश प्रवेश में कमी और अंतःस्रावी व्यवधानों (endocrine disruptors) का समावेश शामिल है। जबकि जिंक ऑक्साइड (ZnO) जैसे अर्धचालक फोटोकैटलिस्ट कार्बनिक प्रदूषकों को क्षय करने के लिए एक आशाजनक समाधान प्रदान करते हैं, उनका प्रदर्शन अक्सर एक विस्तृत बैंडगैप (~3.37 eV) और तीव्र इलेक्ट्रॉन-होल पुनर्संयोजन (recombination) द्वारा सीमित होता है। इसके अलावा, पारंपरिक संश्लेषण विधियों में अक्सर विषाक्त रसायनों का उपयोग होता है। यह अध्ययन एक पर्यावरण के अनुकूल संश्लेषण मार्ग और डोपिंग के माध्यम से ZnO की फोटोकैटलिटिक दक्षता को बढ़ाने की आवश्यकता को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली
शोधकर्ताओं ने शुद्ध ZnO (P-ZnO) और इंडियम-डोपेड ZnO (5In-ZnO) के संश्लेषण के लिए एक अपचायक (reducing) और कैपिंग एजेंट के रूप में Artemisia vulgaris (मग्वॉर्ट) अर्क का उपयोग करते हुए एक हरित संश्लेषण दृष्टिकोण अपनाया।

• संश्लेषण: जिंक नाइट्रेट हेक्साहाइड्रेट ने ZnO के लिए अग्रदूत (precursor) के रूपв रूप में कार्य किया, जबकि इंडियम (III) नाइट्रेट का उपयोग 5 परमाणु प्रतिशत (at.%) इंडियम डोपेंट को पेश करने के लिए किया गया। इस प्रक्रिया में धातु लवणों के साथ पादप अर्क को मिलाना, pH को 10 पर समायोजित करना, 70°C पर हिलाना (stirring), और उसके बाद सुखाना तथा एनीलिंग (annealing) करना शामिल था।
• विशेषण (Characterization): भौतिक गुणों का विश्लेषण एक्स-रे विवर्तन (XRD), रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, फूरियर-ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (FTIR) स्पेक्ट्रोस्कोपी, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) के साथ EDX, ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM), UV-विज़िबल स्पेक्ट्रोस्कोपी, फोटोल्यूमिनेसेंस (PL), और वाइब्रेटिंग सैंपल मैग्नेटोमेट्री (VSM) का उपयोग करके किया गया।
• फोटोकैटलिटिक परीक्षण: CV डाई के क्षरण का मूल्यांकन UV विकिरण (365 nm) और प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश के तहत किया गया। मुख्य मापदंडों में pH, प्रारंभिक डाई सांद्रता, और सक्रिय प्रजातियों (reactive species) की भूमिका (जिसके लिए टर्ट-ब्यूटानॉल का स्कैवेंजर के रूप में उपयोग किया गया) की जांच की गई। खनिजीकरण (Mineralization) का आकलन केमिकल ऑक्सीजन डिमांड (COD) मापन के माध्यम से किया गया।

प्रमुख योगदान और परिणाम

• संरचनात्मक और रूपात्मक गुण:

  • दोनों P-ZnO और 5In-ZnO ने एक हेक्सागोनल वुर्ट्ज़िट (wurtzite) क्रिस्टल संरचना प्रदर्शित की। XRD विश्लेषण ने दिखाया कि इंडियम डोपिंग के कारण विवर्तन शिखर (diffraction peaks) निचले कोणों की ओर थोड़ा स्थानांतरित हो गए और क्रिस्टलीय आकार 57.3 nm (P-ZnO) से घटकर 53.1 nm (5In-ZnO) हो गया।
  • इंडियम ऑक्साइड का कोई माध्यमिक चरण (secondary phase) नहीं पाया गया, जो जाली (lattice) के भीतर Zn²⁺ आयनों द्वारा In³⁺ आयनों के सफल प्रतिस्थापन का सुझाव देता है।
  • SEM और TEM विश्लेषण ने विषम ग्रेन आकृतियों और एकत्रीकरण (agglomeration) को दिखाया, जिसमें कणों का आकार 20 से 50 nm के बीच था।

• ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक गुण:

  • UV-Vis अवशोषण स्पेक्ट्रा ने एक ब्लू शिफ्ट और ऑप्टिकल बैंडगैप में कमी (3.24 eV (P-ZnO) से 3.22 eV (5In-ZnO)) को दर्शाया। यह कमी दोष अवस्थाओं (जैसे ऑक्सीजन रिक्तियां और जिंक इंटरस्टिशियल) के निर्माण और इंडियम द्वारा उथले डोनर स्तरों (shallow donor levels) के परिचय के कारण है।
  • फोटोल्यूमिनेसेंस (PL) विश्लेषण ने दो उत्सर्जन शिखर दिखाए: एक UV शिखर (बैंड-टू-बैंड ट्रांजिशन) और एक दृश्य (visible) शिखर (डिफेक्ट-संबंधित)। 5In-ZnO के लिए 568 nm पर दृश्य उत्सर्जन P-ZnO (566 nm) की तुलना में अधिक मजबूत था, जो बिंदु दोषों (point defects) की बढ़ी हुई सांद्रता को दर्शाता है।
  • बढ़ी हुई दोष घनत्व को कमरे के तापमान पर कमजोर फेरोमैग्नेटिज्म के उत्पादन से जोड़ा गया, जिसकी पुष्टि M-H हिस्टेरेसिस लूप द्वारा की गई। संतृप्ति चुंबकत्व ($M_s$) 0.0343 emu/g (P-ZnO) से बढ़कर 0.0429 emu/g (5In-ZnO) हो गया।

• फोटोकैटलिटिक प्रदर्शन:

  • क्षरण दक्षता: UV विकिरण के तहत, 5In-ZnO नैनोकम्पोजिट ने 25 मिनट के भीतर CV डाई का 99.9% विवर्णन (decolorization) प्राप्त किया, जो शुद्ध ZnO के प्रदर्शन से काफी बेहतर था, जिसने समान परिस्थितियों में 60 मिनट के बाद केवल 72% क्षरण प्राप्त किया।
  • काइनेटिक्स (Kinetics): क्षरण छद्म-प्रथम-क्रम (pseudo-first-order) काइनेटिक्स (लैंगमुइर-हिंसलवुड मॉडल) का पालन करता है। अभिक्रिया दर स्थिरांक ($k_{app}$) कम प्रारंभिक डाई सांद्रता (10 ppm) पर उच्चतम था।
  • तंत्र (Mechanism): स्कैवेंजर अध्ययनों ने पुष्टि की कि हाइड्रोक्सिल रेडिकल्स (•OH) क्षरण प्रक्रिया में प्रमुख भूमिका निभाते हैं। इंडियम के समावेश को फोटो-जेनरेटेड इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ों के पृथक्करण को बढ़ाने के लिए प्रस्तावित किया गया है, जिससे पुनर्संयोजन कम होता है और सक्रिय रेडिकल्स ($O_2^{\bullet-}$ और $OH^{\bullet}$) का निर्माण बढ़ता है।
  • सौर बनाम UV: उत्प्रेरक प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश में अधिक कुशलता से कार्य करता है, जो समान अवधि में 90% (कृत्रिम UV प्रकाश के तहत) की तुलना में 20 मिनट में लगभग 100% निष्कासन प्राप्त करता है।
  • खनिजीकरण: विवर्णन की तुलना में पूर्ण खनिजीकरण (अकार्बनिक उत्पादों में रूपांतरण) धीमा था, जो 300 मिनट के विकिरण के बाद 95% COD निष्कासन तक पहुँचा।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि Artemisia vulgaris का उपयोग करके हरित संश्लेषण विधि उच्च-गुणवत्ता वाले, डोप्ड नैनोकम्पोजिट्स बनाने के लिए प्रभावी है। प्राथमिक महत्व यह प्रदर्शित करने में निहित है कि इंडियम डोपिंग, पादप-मध्यस्थ संश्लेषण के साथ मिलकर, क्रिस्टल वॉयलेट के क्षरण के लिए ZnO की फोटोकैटलिटिक गतिविधि को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है। लेखक इस वृद्धि का श्रेय निम्नलिखित को देते हैं:

1. बैंडगैप मॉड्यूलेशन: बेहतर प्रकाश अवशोषण की सुविधा के लिए बैंडगैप ऊर्जा में मामूली कमी।
2. डिफेक्ट इंजीनियरिंग: बिंदु दोषों (ऑक्सीजन रिक्तियों) में वृद्धि, जो चार्ज वाहकों के लिए ट्रैप के रूप में कार्य करते हैं, जिससे उनका जीवनकाल बढ़ जाता है और पुनर्संयोजन कम हो जाता है।
3. चुंबकीय गुण: कमजोर फेरोमैग्नेटिज्म का प्रेरण, जो उत्प्रेरक रिकवरी को सुगम बना सकता है, हालांकि शोध मुख्य रूप से फोटोकैटलिटिक तंत्र पर केंद्रित है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि 5In-ZnO टेक्सटाइल अपशिष्ट जल के उपचार के लिए एक अत्यधिक कुशल, पर्यावरण के अनुकूल फोटोकैटलिस्ट है, जो UV और सौर प्रकाश दोनों के तहत कम विकिरण समय में पूर्ण के करीब विवर्णन प्राप्त करने में सक्षम है।