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अर्थव्यवस्था में उच्च कार्बन ईंधन की निरंतर मांग के कारण वायुमंडल में कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) की मात्रा बढ़ गई है। कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन को कम करने के प्रयास किए जाने पर भी, वायुमंडल में पहले से मौजूद इस गैस के हानिकारक प्रभावों को उलटना संभव नहीं है।
इसलिए वैज्ञानिकों ने वायुमंडल में मौजूद कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करने के लिए रचनात्मक तरीके विकसित किए हैं, जिससे इसे फॉर्मिक एसिड (HCOOH) और मेथनॉल जैसे उपयोगी अणुओं में परिवर्तित किया जा सके। दृश्य प्रकाश का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड का फोटोकैटलिटिक फोटोरिडक्शन इस तरह के परिवर्तनों के लिए एक सामान्य विधि है।
टोक्यो इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के वैज्ञानिकों की एक टीम ने, प्रोफेसर काजुहिको माएदा के नेतृत्व में, महत्वपूर्ण प्रगति की है और इसे 8 मई, 2023 को प्रकाशित अंतरराष्ट्रीय प्रकाशन "एंगवांड्टे केमी" में प्रलेखित किया है।
उन्होंने टिन आधारित एक धातु-कार्बनिक ढांचा (एमओएफ) बनाया है जो कार्बन डाइऑक्साइड के चयनात्मक फोटोरिडक्शन को सक्षम बनाता है। शोधकर्ताओं ने रासायनिक सूत्र [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: ट्राइथियोसायन्यूरिक एसिड और MeOH: मेथनॉल) के साथ एक नया टिन (Sn) आधारित एमओएफ बनाया है।
दृश्य प्रकाश पर आधारित अधिकांश उच्च दक्षता वाले CO2 फोटोकैटलिस्ट अपने मुख्य घटकों के रूप में दुर्लभ बहुमूल्य धातुओं का उपयोग करते हैं। इसके अलावा, बड़ी संख्या में धातुओं से बनी एक ही आणविक इकाई में प्रकाश अवशोषण और उत्प्रेरक कार्यों का एकीकरण एक लंबे समय से चली आ रही चुनौती है। इसलिए, Sn एक आदर्श विकल्प है क्योंकि यह दोनों समस्याओं का समाधान कर सकता है।
MOFs धातुओं और कार्बनिक पदार्थों के लिए सर्वोत्तम सामग्री हैं, और MOFs को पारंपरिक दुर्लभ पृथ्वी फोटोकैटलिस्ट के एक अधिक पर्यावरण-अनुकूल विकल्प के रूप में अध्ययन किया जा रहा है।
Sn, MOF-आधारित फोटोकैटलिस्ट के लिए एक संभावित विकल्प है क्योंकि यह फोटोकैटलिटिक प्रक्रिया के दौरान उत्प्रेरक और स्कैवेंजर दोनों के रूप में कार्य कर सकता है। हालांकि लेड, आयरन और ज़िरकोनियम-आधारित MOF का व्यापक अध्ययन किया गया है, लेकिन टिन-आधारित MOF के बारे में बहुत कम जानकारी है।
टिन-आधारित एमओएफ केजीएफ-10 तैयार करने के लिए एच3टीटीसी, एमईओएच और टिन क्लोराइड का उपयोग प्रारंभिक सामग्री के रूप में किया गया था, और शोधकर्ताओं ने 1,3-डाइमिथाइल-2-फेनिल-2,3-डाइहाइड्रो-1एच-बेंजो[डी]इमिडाज़ोल का उपयोग करने का निर्णय लिया। यह इलेक्ट्रॉन दाता और हाइड्रोजन के स्रोत के रूप में कार्य करता है।
इसके परिणामस्वरूप प्राप्त KGF-10 को विभिन्न विश्लेषणात्मक प्रक्रियाओं से गुज़ारा गया। उन्होंने पाया कि इस पदार्थ का बैंडगैप 2.5 eV है, यह दृश्य प्रकाश की तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करता है, और इसमें कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करने की मध्यम क्षमता है।
वैज्ञानिकों ने जब इस नए पदार्थ के भौतिक और रासायनिक गुणों को समझ लिया, तो उन्होंने इसका उपयोग दृश्य प्रकाश की उपस्थिति में कार्बन डाइऑक्साइड के अपचयन को उत्प्रेरित करने के लिए किया। उन्होंने पाया कि KGF-10 अतिरिक्त फोटोसेंसिटाइज़र या उत्प्रेरक की आवश्यकता के बिना, 99% तक दक्षता के साथ CO2 को फॉर्मेट (HCOO–) में कुशलतापूर्वक और चुनिंदा रूप से परिवर्तित कर सकता है।
इसमें 400 एनएम की तरंगदैर्ध्य पर 9.8% की रिकॉर्ड उच्च आभासी क्वांटम उपज (अभिक्रिया में शामिल इलेक्ट्रॉनों की संख्या और आपतित फोटॉनों की कुल संख्या का अनुपात) भी है। इसके अलावा, अभिक्रिया के दौरान किए गए संरचनात्मक विश्लेषण से पता चला कि KGF-10 में संरचनात्मक संशोधन हुए जिन्होंने फोटोकैटलिटिक अपचयन को बढ़ावा दिया।
यह अध्ययन पहली बार कार्बन डाइऑक्साइड को फॉर्मेट में परिवर्तित करने की प्रक्रिया को तेज करने के लिए एक अत्यंत कुशल, एकल-घटक, कीमती धातु रहित टिन-आधारित फोटोकैटलिस्ट प्रस्तुत करता है। टीम द्वारा खोजे गए KGF-10 के उल्लेखनीय गुण सौर ऊर्जा का उपयोग करके CO2 उत्सर्जन को कम करने जैसी प्रक्रियाओं में फोटोकैटलिस्ट के रूप में इसके उपयोग की नई संभावनाएं खोलते हैं।
प्रोफेसर माएदा ने निष्कर्ष निकाला: "हमारे परिणाम बताते हैं कि एमओएफ गैर-विषाक्त, कम लागत वाली और पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में पाई जाने वाली धातुओं का उपयोग करके बेहतर फोटोकैटलिटिक कार्य करने के लिए एक मंच के रूप में काम कर सकते हैं, जो आमतौर पर आणविक धातु परिसरों का उपयोग करके प्राप्त नहीं किए जा सकते हैं।"
कामाकुरा वाई एट अल (2023) टिन(II) आधारित धातु-कार्बनिक ढाँचे दृश्य प्रकाश के अंतर्गत कार्बन डाइऑक्साइड के कुशल और चयनात्मक अपचयन को सक्षम बनाते हैं। एप्लाइड केमिस्ट्री, इंटरनेशनल एडिशन। doi:10.1002/ani.202305923
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