वाशिंगटन डीसी (यूएस), 16 मार्च (एएनआई): वैज्ञानिकों ने एक शक्तिशाली नई कम्प्यूटेशनल विधि विकसित की है जो सूर्य के प्रकाश को उपयोगी रासायनिक ऊर्जा में बदलने में सक्षम अगली पीढ़ी की सामग्रियों की खोज में तेजी ला सकती है।
यह कार्य पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड्स पर केंद्रित है, जो कार्बन नाइट्राइड सामग्रियों का एक आशाजनक वर्ग है जो दृश्य प्रकाश को अवशोषित करता है और हाइड्रोजन उत्पादन, कार्बन डाइऑक्साइड रूपांतरण और हाइड्रोजन पेरोक्साइड संश्लेषण जैसी प्रतिक्रियाओं को चला सकता है।
यह विश्लेषण करके कि 53 विभिन्न धातु आयन इन सामग्रियों की संरचना और इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार को कैसे प्रभावित करते हैं, शोधकर्ताओं ने एक रूपरेखा बनाई जो भविष्यवाणी करती है कि कौन सा संयोजन सबसे अच्छा प्रदर्शन करेगा।
फोटोकैटलिसिस सूर्य के प्रकाश की विशाल आपूर्ति को उपयोगी रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करने का एक आशाजनक तरीका प्रदान करता है। बढ़ते ध्यान को आकर्षित करने वाली सामग्रियों में पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड्स हैं, जिनमें संरचनात्मक और कार्यात्मक विशेषताएं हैं जो उन्हें फोटोकैटलिटिक प्रतिक्रियाओं के लिए विशेष रूप से प्रभावी बनाती हैं।
हाल तक, वैज्ञानिकों के पास केवल इस बात की सीमित जानकारी थी कि उनकी संरचना में परिवर्तन इस परिवार की कई संभावित सामग्रियों में उनके इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल व्यवहार को कैसे प्रभावित करते हैं।
हेल्महोल्त्ज़-ज़ेंट्रम ड्रेसडेन-रोसेंडॉर्फ (HZDR) में सेंटर फॉर एडवांस्ड सिस्टम्स अंडरस्टैंडिंग (CASUS) की एक टीम के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने अब इस समस्या से निपटने के लिए एक भरोसेमंद और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य सैद्धांतिक दृष्टिकोण पेश किया है।
उनकी भविष्यवाणियों को वास्तविक सामग्री नमूनों पर माप के माध्यम से मान्य किया गया था। टीम का मानना है कि यह प्रगति पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड्स पर अनुसंधान में काफी तेजी ला सकती है और क्षेत्र में तेजी से विकास को बढ़ावा दे सकती है।
कार्बन नाइट्राइड सामग्री और दृश्य प्रकाश अवशोषण
पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड्स कार्बन नाइट्राइड्स के व्यापक वर्ग से संबंधित हैं। इन सामग्रियों में स्तरित संरचनाएं होती हैं जो ग्राफीन के समान होती हैं लेकिन नाइट्रोजन युक्त अंगूठी के आकार की आणविक इकाइयों से निर्मित होती हैं।
जबकि ग्राफीन असाधारण विद्युत चालकता के लिए जाना जाता है, यह फोटोकैटलिस्ट के रूप में अच्छी तरह से काम नहीं करता है। पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड्स एक महत्वपूर्ण तरीके से भिन्न होते हैं।
उनके इलेक्ट्रॉनिक बैंड गैप उन्हें दृश्य प्रकाश को अवशोषित करने की अनुमति देते हैं, जो उन्हें सूर्य के प्रकाश से संचालित रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए उपयुक्त बनाता है।
कार्बन नाइट्राइड सामग्री कई व्यावहारिक लाभ भी प्रदान करती है। वे उत्पादन के लिए अपेक्षाकृत सस्ते, गैर विषैले और थर्मल रूप से स्थिर हैं। हालाँकि, इन सामग्रियों के शुरुआती संस्करणों ने फोटोकैटलिस्ट के रूप में अच्छा प्रदर्शन नहीं किया क्योंकि उनके आंतरिक गुणों ने प्रभावी चार्ज पृथक्करण को सीमित कर दिया था।
जब कोई फोटॉन किसी सामग्री से टकराता है, तो यह एक इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित कर सकता है और उसे उसकी मूल स्थिति से दूर ले जा सकता है, जिससे एक सकारात्मक चार्ज वाला छेद निकल जाता है। यदि इलेक्ट्रॉन जल्दी से छेद के साथ पुनः संयोजित हो जाता है, तो ऊर्जा रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चलाने के बजाय केवल गर्मी या प्रकाश के रूप में जारी होती है।
प्रथम लेखिका डॉ. ज़हरा हाजीहमदी कहती हैं, “धनात्मक रूप से चार्ज किए गए धातु आयनों वाले पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड्स में उल्लेखनीय रूप से बेहतर चार्ज पृथक्करण प्रदर्शित होता है। यह सुविधा उन्हें व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक उपयुक्त बनाती है।”
कई फोटोकैटलिटिक प्रक्रियाओं की आर्थिक क्षमता को अनलॉक करने के लिए बेहतर सामग्रियों की आवश्यकता है। इनमें जल विभाजन (ईंधन के रूप में हाइड्रोजन का उत्पादन करना), कार्बन डाइऑक्साइड में कमी (ईंधन या औद्योगिक रसायनों के रूप में बुनियादी कार्बोहाइड्रेट का उत्पादन करना), और हाइड्रोजन पेरोक्साइड उत्पादन (एक बुनियादी औद्योगिक रसायन के रूप में) शामिल हैं।
एक विशिष्ट प्रतिक्रिया के लिए अच्छा प्रदर्शन करने वाले पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड उत्प्रेरक को डिजाइन करने के लिए इसकी संरचना के कई पहलुओं पर सावधानीपूर्वक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। प्रयोगशाला में हर संभावित सामग्री का निर्माण और परीक्षण करना अवास्तविक होगा। इसलिए, कम्प्यूटेशनल विधियाँ संभावनाओं को कम करने में एक आवश्यक भूमिका निभाती हैं।
CASUS के निदेशक, CASUS शोध दल “थ्योरी ऑफ़ कॉम्प्लेक्स सिस्टम्स” के प्रमुख और अध्ययन के वरिष्ठ लेखक प्रोफेसर थॉमस डी. कुहने बताते हैं, “डिज़ाइन का स्थान बहुत बड़ा है।” “उदाहरण के लिए, कोई सतह पर कार्यात्मक समूह जोड़ सकता है या विशिष्ट नाइट्रोजन या कार्बन परमाणुओं को ऑक्सीजन या फॉस्फोरस परमाणुओं से प्रतिस्थापित कर सकता है।”
कुह्न का अनुसंधान समूह उन्नत संख्यात्मक तकनीकों का विकास कर रहा है जो जटिल सामग्रियों के रासायनिक और भौतिक व्यवहार को सटीक रूप से पुन: प्रस्तुत करने में कुशल और सक्षम दोनों हैं।
53 धातु आयनों का व्यवस्थित परीक्षण
पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड्स की एक परिभाषित विशेषता सामग्री के भीतर नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए छिद्रों की उपस्थिति है। ये छिद्र सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए धातु आयनों को होस्ट कर सकते हैं, जो उत्प्रेरक प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा सकते हैं।
हाजीअहमदी का काम इस बात की पहली व्यापक जांच का प्रतिनिधित्व करता है कि विभिन्न धातु आयन इन सामग्रियों के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुणों को कैसे प्रभावित करते हैं। अध्ययन में कुल मिलाकर 53 धातु आयनों की जांच की गई, उन्हें इस आधार पर वर्गीकृत किया गया कि वे संरचना के भीतर (तल में या परतों के बीच) कहां बैठते हैं और वे सामग्री की ज्यामिति को कैसे बदलते हैं (परिणामस्वरूप विरूपण होता है या नहीं)।
हाजीअहमदी कहते हैं, “हमने एक विश्वसनीय और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य कम्प्यूटेशनल ढांचे का उपयोग किया जो पारंपरिक मॉडलिंग दृष्टिकोण से परे है।”
“फोटोकैटलिस्ट्स के मानक कम्प्यूटेशनल अध्ययन आम तौर पर ग्राउंड-स्टेट गुणों पर ध्यान केंद्रित करते हैं और उत्साहित-राज्य प्रभावों की उपेक्षा करते हैं, इस तथ्य के बावजूद कि फोटोकैटलिसिस स्वाभाविक रूप से फोटोएक्साइटेड चार्ज वाहक द्वारा संचालित होता है। विशेष रूप से, हम कई-शरीर गड़बड़ी सिद्धांत विधियों को नियोजित करते हैं,” हाजीहमदी ने कहा।
ये विधियाँ एक सरलीकृत मॉडल प्रणाली से शुरू होती हैं जिसमें कण अंतःक्रिया शामिल नहीं होती है। फिर इंटरैक्शन को छोटे सुधारों के रूप में जोड़ा जाता है, जिससे शोधकर्ताओं को यह अनुमान लगाने की अनुमति मिलती है कि बड़ी संख्या में कण एक दूसरे को कैसे प्रभावित करते हैं।
हालाँकि ऐसी गणनाओं के लिए पर्याप्त कंप्यूटिंग शक्ति की आवश्यकता होती है और इस क्षेत्र में शायद ही कभी लागू किया जाता है, नया अध्ययन उनके मूल्य को प्रदर्शित करता है। रूपरेखा इस बात का सटीक विवरण प्रदान करती है कि ये सामग्रियां प्रकाश को कैसे अवशोषित करती हैं और उनकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना रोशनी के तहत कैसे व्यवहार करती है।
प्रयोग सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि करते हैं
अपने कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने पता लगाया कि विभिन्न धातु आयन पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड नेटवर्क की संरचना को कैसे बदलते हैं। उनके विश्लेषण से पता चला कि आयनों का परिचय मापने योग्य संरचनात्मक परिवर्तनों का कारण बन सकता है, जिसमें परतों के बीच अंतर में बदलाव और स्थानीय संबंध वातावरण में संशोधन शामिल हैं।
ये संरचनात्मक विविधताएँ सामग्रियों की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना और ऑप्टिकल गुणों को सीधे प्रभावित करती हैं, जिससे यह प्रभावित होता है कि वे कितनी कुशलता से प्रकाश ग्रहण करते हैं।
अपनी भविष्यवाणियों का परीक्षण करने के लिए, टीम ने आठ पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड सामग्रियों को संश्लेषित किया, जिनमें से प्रत्येक में एक अलग धातु आयन शामिल था। तब सामग्रियों का हाइड्रोजन पेरोक्साइड उत्पादन को उत्प्रेरित करने की उनकी क्षमता के लिए मूल्यांकन किया गया था।
हाजीअहमदी ने निष्कर्ष निकाला, “परिणामों ने स्पष्ट रूप से हमारी भविष्यवाणियों के लिए उच्च स्तर की सहमति दिखाई और प्रतिस्पर्धी गणना विधियों से बेहतर प्रदर्शन किया।”
“अगर अगली पीढ़ी की फोटोकैटलिटिक प्रौद्योगिकियों के लिए पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड्स सबसे आशाजनक प्लेटफार्मों में से एक होने के बारे में कुछ संदेह था, तो मेरा मानना है कि इस काम ने उन्हें आराम दिया है। टिकाऊ प्रतिक्रियाओं के लिए कुशल पॉलीहेप्टाज़िन इमाइड फोटोकैटलिस्ट के लक्षित डिजाइन की दिशा में रास्ता अब स्पष्ट है। मुझे दृढ़ता से विश्वास है कि इसे अक्सर और सफलतापूर्वक लिया जाएगा, “कुहने (एएनआई) कहते हैं
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