जापानी और चीनी शोधकर्ताओं ने एक तांबा-कोबाल्ट उत्प्रेरक बनाया है जो नाइट्रेट्स के इलेक्ट्रोकेमिकल अपचयन की प्रक्रिया के दौरान अपनी संरचना को स्वयं बदल सकता है। पुनर्निर्माण की यह क्षमता नाइट्रेट्स से अमोनिया प्राप्त करने पर उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए एक निर्णायक कारक बन गई, जबकि फैराडे दक्षता 95.4 प्रतिशत थी। इस कार्य के परिणाम एडवांस्ड साइंस पत्रिका में प्रकाशित किए गए थे।
नाइट्रेट्स के इलेक्ट्रोकेमिकल अपचयन की प्रक्रिया का दोहरा लाभ है: यह दूषित पानी को साफ करते हुए और नरम परिस्थितियों में अमोनिया का उत्पादन करते हुए एक साथ संभव बनाता है, जिससे पारंपरिक ऊर्जा-गहन हैबर-बॉश विधि की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। तांबे के यौगिक इन कार्यों के लिए आशाजनक उत्प्रेरक माने जाते हैं, क्योंकि उनकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना नाइट्रेट्स के आसान बंधन और अपचयन का समर्थन करती है। हालांकि, तांबे का उपयोग चुनौतियों से जुड़ा हुआ है: वैज्ञानिकों ने तांबे के आयनों की ऑक्सीकरण अवस्था में निरंतर परिवर्तन पर ध्यान दिया, लेकिन इन परिवर्तनों की भूमिका अस्पष्ट बनी रही। इसके अलावा, तांबा पानी को हाइड्रोजन में कुशलता से विघटित नहीं करता है और कुछ मध्यवर्ती उत्पादों को कमजोर रूप से बनाए रखता है, जिससे अमोनिया संश्लेषण धीमा हो जाता है।
कोचिन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के ताकेशी फुजिता के नेतृत्व में जापानी और चीनी रसायनज्ञों की टीम इन समस्याओं को हल करने में सफल रही। उन्होंने कॉपर ऑक्साइड को कोबाल्ट ऑक्साइड की 10 से 50 मोल प्रतिशत जोड़कर संशोधित किया, जिससे CuO/CoOX प्रकार के उत्प्रेरकों की एक श्रृंखला प्राप्त हुई। यह अनुमान लगाया गया था कि कोबाल्ट घटक सक्रिय हाइड्रोजन कणों के निर्माण में योगदान देगा, जबकि तांबा नाइट्रोजन युक्त यौगिकों के बंधन और क्रमिक अपचयन को सुनिश्चित करेगा।
उत्प्रेरकों का परीक्षण नाइट्रेट्स के अपचयन के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में किया गया, जिसके बाद उनकी कार्यप्रणाली की तुलना केवल तांबे या केवल कोबाल्ट वाले उत्प्रेरकों से की गई। प्रतिक्रिया के दौरान संरचनात्मक परिवर्तनों को इन सीटू रमन, अवरक्त और इलेक्ट्रॉन-पैरामैग्नेटिक स्पेक्ट्रोस्कोपी विधियों का उपयोग करके ट्रैक किया गया। प्रतिक्रिया से पहले और बाद में उत्प्रेरकों का अध्ययन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करके किया गया, और क्वांटम रासायनिक गणनाएं भी की गईं।
10 मोल प्रतिशत कोबाल्ट वाले उत्प्रेरक (Co:Cu = 1:9) ने सर्वोत्तम प्रदर्शन दिखाया। कोबाल्ट के हिस्से को और बढ़ाने पर आणविक हाइड्रोजन के निकलने की प्रतिस्पर्धी प्रतिक्रिया में वृद्धि देखी गई, जिससे अमोनिया के निर्माण में देरी हुई।
यह स्थापित किया गया कि प्रारंभिक उत्प्रेरक Co1Cu9OX समय के साथ परिवर्तित होता है, जिससे एक नई कार्यात्मक संरचना बनती है। इस संरचना में धात्विक तांबा Cu (0), कोबाल्ट ऑक्साइड, और सतह पर हाइड्रॉक्सिल समूहों से संतृप्त तांबे के ऑक्सीकृत यौगिक Cu (I) और Cu (II) शामिल हैं। इस पुनर्गठन ने तांबे पर नाइट्रेट्स के तेजी से बंधन और मध्यवर्ती उत्पादों के स्थिरीकरण में योगदान दिया। इसके अलावा, तांबे की निकटता ने उत्पन्न हाइड्रोजन कणों को नाइट्रोजन के साथ तुरंत प्रतिक्रिया करने और उसके अपचयन के लिए सक्षम बनाया। इस पुनर्निर्माण के कारण, अमोनिया की उपज प्रति मिलीग्राम उत्प्रेरक पर प्रति घंटे 54.68 मिलीग्राम तक पहुंच गई, जो समान परिस्थितियों में तांबे के उत्प्रेरक द्वारा दिए गए लगभग 35 मिलीग्राम प्रति घंटा प्रति मिलीग्राम से काफी अधिक है।
इस प्रकार, फुजिता और उनकी टीम ने साबित किया कि उत्प्रेरक की दक्षता न केवल इसकी प्रारंभिक संरचना पर निर्भर करती है, बल्कि प्रतिक्रिया के दौरान इसकी सतह की स्वतः पुनर्व्यवस्था की क्षमता पर भी निर्भर करती है। लेखकों ने प्रोटोकैटलिस्ट की अवधारणा प्रस्तुत की - एक सामग्री जो संचालन की प्रक्रिया के दौरान सबसे सक्रिय विन्यास का निर्माण करती है। यह दृष्टिकोण विभिन्न इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रियाओं के लिए विषमसंरचनात्मक उत्प्रेरकों के विकास का आधार बन सकता है।
जापानी वैज्ञानिकों ने इरिडियम उत्प्रेरक का उपयोग करके कंपोजिट सामग्री से पॉलीयूरेथेन को चयनात्मक रूप से निकालने का एक तरीका विकसित किया है। यह विधि विशेष रूप से पॉलीयूरेथेन को नष्ट करने की अनुमति देती है, जबकि पॉलिएस्टर और पॉलीमाइड जैसे पॉलिमर को अप्रभावित छोड़ देती है, जो मिश्रित कचरे, जिसमें खेल के कपड़े शामिल हैं, के रासायनिक पुनर्चक्रण को सरल बनाने की संभावनाएं खोलती है।
वर्तमान में, सभी प्लास्टिक कचरे का 12% से भी कम पुनर्चक्रण किया जाता है। मिश्रित प्लास्टिक कचरा, जैसे स्विमिंग सूट और खेल के कपड़ों की सामग्री, विशेष रूप से जटिल होते हैं, जो अक्सर इलास्टेन (पॉलीयुरेथेन), पॉलिएस्टर (पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट) और नायलॉन (पॉलीमाइड) के संयोजन से बने होते हैं। चूंकि इन पॉलिमर को विभिन्न पुनर्चक्रण विधियों की आवश्यकता होती है, और आपस में गुंथे हुए फाइबर को अलग करना लगभग असंभव है, इसलिए विकसित पुनर्चक्रण बुनियादी ढांचे वाले देशों में ऐसे कपड़ों को अक्सर लैंडफिल में भेज दिया जाता है या जला दिया जाता है।
टोक्यो विश्वविद्यालय की किओको नोज़ाकी ने एक टीम का नेतृत्व किया जिसने एक मौलिक समाधान प्रस्तावित किया। वैज्ञानिकों ने हाइड्रोजेनोलिस नामक तकनीक लागू की, जिसमें एक विशेष उत्प्रेरक पर सक्रिय हाइड्रोजन का उपयोग करके पॉलिमर श्रृंखलाओं को तोड़ा जाता है। पॉलीयूरेथेन के लिए चयनात्मकता प्राप्त करने के लिए विभिन्न क्षारों के साथ इरिडियम उत्प्रेरक का परीक्षण किया गया। यह पाया गया कि कमजोर क्षार पर्याप्त उत्प्रेरक प्रभाव प्रदान नहीं करते थे, जबकि मजबूत क्षार न केवल पॉलीयूरेथेन का विघटन करते थे, बल्कि अवांछित साइड रिएक्शन, यानी ट्रांसएस्टरीफिकेशन को भी प्रेरित करते थे। पोटेशियम साइनो-प्रतिस्थापित फिनोलैट सबसे अच्छा विकल्प साबित हुआ, जिसने साइड प्रक्रियाओं को प्रभावी ढंग से दबाया, जबकि पॉलीयूरेथेन के लिए उत्प्रेरक की उच्च गतिविधि को बनाए रखा।
स्थितियों को ठीक से समायोजित करने के बाद, नोज़ाकी और उनके कर्मचारियों ने वास्तविक सामग्रियों पर विधि का परीक्षण किया। खेल की टी-शर्ट के कपड़े पर काम करते समय, जिसमें 88% पॉलिएस्टर और 12% इलास्टेन था, वे पॉलीयूरेथेन घटक को लगभग पूरी तरह से हटाने में सफल रहे, जबकि पॉलिएस्टर की संरचना अपरिवर्तित रही। गैस क्रोमैटोग्राफी विधि द्वारा विश्लेषण ने पॉलीयूरेथेन के अपघटन उत्पादों की उपस्थिति की पुष्टि की, हालांकि पॉलीएस्टर के एक मोनोमर, एथिलीन ग्लाइकॉल, का पता भी ट्रेस मात्रा में नहीं चला, जो पॉलिएस्टर के अपघटन की अनुपस्थिति का संकेत देता है। इलास्टेन और नायलॉन के मिश्रण और पॉलीयूरेथेन और पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट से बने रसोई के स्पंज के परीक्षण के दौरान भी इसी तरह के सकारात्मक परिणाम प्राप्त हुए।
आगे चलकर, शोधकर्ता पॉलीयूरेथेन के अपघटन से प्राप्त उत्पादों के कुशल निष्कर्षण और पूरी प्रक्रिया के स्केलिंग पर ध्यान केंद्रित करने की योजना बना रहे हैं। इन लक्ष्यों की सफल प्राप्ति चयनात्मक हाइड्रोजेनोलिस को मिश्रित प्लास्टिक के रासायनिक पुनर्चक्रण के लिए एक नई, आशाजनक रणनीति में बदल सकती है।
