स्वच्छ रसायन विज्ञान के लिए कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण में उपलब्धि

एक टीम शोधकर्ताओं की, जो कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय और अन्य प्रमुख संस्थानों से हैं, ने अभी एक कृत्रिम पत्ता प्रस्तुत किया है। यह अनूठा डिज़ाइन प्रकाशसंश्लेषण की नकल कर सकता है, जिससे प्रमुख उद्योगों में कई उपयोग मामलों के लिए द्वार खुलता है। यहाँ बताया गया है कि कैसे कृत्रिम पत्ते एक अधिक हरित रासायनिक उद्योग और बहुत कुछ ला सकते हैं।

रासायनिक उद्योग

रासायनिक निर्माता आज की अर्थव्यवस्था में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, जो आपके भोजन को उगाने के लिए उपयोग किए जाने वाले उर्वरक से लेकर दवाओं, प्लास्टिक और यहाँ तक कि सौंदर्य सामग्री तक सभी के मुख्य घटकों को प्रदान करते हैं। हालिया रिपोर्ट्स के अनुसार, वैश्विक रासायनिक उद्योग एक विशाल और जटिल बाजार है जिसका मूल्य 2025 में +$6.324T है। इस मूल्य ने पिछले वर्ष की तुलना में 2.3% की वृद्धि दर दर्शायी। बेशक, इस सभी वृद्धि और उत्पादन का पर्यावरण पर एक लागत भी है।

मुख्य प्रदूषक

रासायनिक उद्योग सभी जीवाश्म ईंधनों का लगभग 10% उपभोग करता है और वैश्विक स्तर पर CO₂ उत्सर्जन का 5-6% जिम्मेदार है। अतिरिक्त रूप से, यह उद्योग सभी मीठे पानी के उपयोग का 20% भी जिम्मेदार है। रिपोर्ट्स दिखाते हैं कि विश्व भर में 100M से अधिक रसायन रासायनिक निर्माण के प्रत्यक्ष परिणामस्वरूप कृत्रिम रूप से बनाए गए हैं।

हानिकारक रसायन जैसे स्थायी कार्बनिक प्रदूषक (POPs), पेर- और पॉलीफ्लुओरोएल्काइल पदार्थ (PFAS), और अंतःस्रावी व्यवधान रसायन (EDCs) पर्यावरण और उसके निवासियों को सीधे नुकसान पहुंचाते हैं। सबसे बुरा यह है कि ये दशकों तक पर्यावरण में बने रहते हैं और अन्य रसायनों के साथ मिलकर अधिक हानिकारक यौगिक बना सकते हैं।

सिंथेटिक उत्प्रेरक

सालों से, इंजीनियरों ने इस जटिल समस्या को हल करने के तरीकों की खोज की है। इसलिए, उन्होंने उद्योग को तोड़कर इसे डी-फॉसिलाइज़ करने के सभी संभावित तरीकों का मूल्यांकन शुरू किया। एक रणनीति सिंथेटिक उत्प्रेरकों या अकार्बनिक अर्धचालकों के उपयोग पर केंद्रित है।

सिंथेटिक उत्प्रेरक मानव निर्मित रसायन होते हैं जो जटिल रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए जाते हैं, बिना उनके परिणामों में हस्तक्षेप किए। आज, इन रसायनों का उपयोग पेट्रोलियम क्रैकिंग से लेकर प्लास्टिक निर्माण तक हर चीज़ में किया जाता है। इसलिए, सभी गैर-निर्दोष रासायनिक घटकों जैसे Good’s बफ़र्स, इलेक्ट्रॉन मध्यस्थ, और बलिदान रिएजेंट को बदलने की एक मजबूत धक्का है।

वर्तमान समाधान

अर्ध-कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण एक दृष्टिकोण है जो उद्योग में निरंतर लोकप्रियता प्राप्त कर रहा है। इस विधि में रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल बायोहाइब्रिड्स का उपयोग किया जाता है। बायोइंजीनियर्ड एंजाइमों का उपयोग करके, इंजीनियर उच्च चयनात्मकता और दक्षता के साथ जटिल रासायनिक रूपांतरण सक्षम करने में सफल रहे हैं।

इस रणनीति ने कई सुधार देखे हैं, जिसमें प्रकाश-संग्रहण अर्धचालकों और बायोकैटलिस्ट को एक ही कॉम्पैक्ट डिवाइस में निर्मित करना शामिल है। इस दृष्टिकोण का उपयोग करके, इंजीनियर कुछ घटकों को अनुकूलित कर विशिष्ट क्षमताओं को बढ़ा सकते हैं। हालांकि, अभी भी कई तकनीकी बाधाएँ हैं जिन्होंने फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल (PEC) अनुप्रयोगों में अपनाने को सीमित किया है।

इन दृष्टिकोणों के साथ सामना की गई समस्याएँ

आज के अर्ध-कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण उपकरणों की एक मुख्य समस्या यह है कि उनमें स्थिरता की कमी है। यह स्थिरता की कमी इसलिए है क्योंकि इसका रासायनिक संरचना तेज़ी से बदलती है, जिसका अर्थ है कि इसे स्थिर रखने के लिए विशिष्ट रासायनिक यौगिकों की निरंतर आपूर्ति आवश्यक होती है, जिसमें काइनेटिक रूप से तेज़ बफ़र्स शामिल हैं, जो pH अंतर को संतुलित करने में मदद करते हैं। डिफ्यूज़न मध्यस्थ एक और उदाहरण है, क्योंकि वे प्रकाश अवशोषकों से बायोकैटलिस्ट तक चार्ज स्थानांतरित करते हैं।

औद्योगिक उत्प्रेरक महंगे और विषाक्त दोनों हैं। ये कारक उनके साथ काम करने को जटिल बनाते हैं, जिससे अतिरिक्त लागत और सावधानियों की आवश्यकता होती है। साथ ही, ये रसायन गैर-निर्दोष होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे धातुओं में ऑक्सीकरण में योगदान देते हैं। जब यह स्थिति उत्पन्न होती है, तो यह संदूषण, उत्प्रेरक अवरोधन, या पूरी प्रक्रिया के विषाक्त होने का कारण बन सकता है।

कृत्रिम पत्ते अध्ययन

अध्ययन¹, Semi-artificial leaf, interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis, जो वैज्ञानिक जर्नल Joule में प्रकाशित हुआ, एक नया ऑर्गेनिक फोटोवोल्टाइक (OPV) डिज़ाइन प्रस्तुत करता है जो हानिकारक उत्प्रेरकों का उपयोग किए बिना सीधे अर्ध-कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण कर सकता है।

Source – Joule

यह एक हरित भविष्य की झलक प्रदान करता है क्योंकि प्रक्रिया 1 दिन तक प्रकाशसंश्लेषण को बनाए रख सकती है। इंजीनियरों ने उल्लेख किया कि उन्होंने विषाक्त घटकों को समीकरण से हटाने और उन्हें ऐसे ऑर्गेनिक तत्वों से बदलने का लक्ष्य रखा था जो बिना किसी अनचाहे उप-उत्पाद के एक साफ़ रासायनिक प्रतिक्रिया को बनाए रख सकें।

फ़ॉर्मेट

उनका अनूठा अर्ध-कृत्रिम ऑर्गेनिक अर्धचालक-आधारित फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल डिज़ाइन जल और CO₂ से हरा H₂ या फ़ॉर्मेट का संश्लेषण करता है, जिसमें सौर-से-ईंधन दक्षता 0.6% और फ़राडिक यील्ड 87% है। यह विशेष रूप से निर्मित लैब-उगाए एंजाइमों का उपयोग करता है जिन्हें उनके सौर-चालित H₂ उत्पन्न करने या CO₂-से-फ़ॉर्मेट रूपांतरण क्षमताओं के लिए चुना गया था।

विशेष रूप से, एंजाइम इलेक्ट्रोड के साथ सीधे इलेक्ट्रॉन ट्रांसफ़र (DET) तंत्र के माध्यम से ऊर्जा साझा करते हैं। ये सल्फेट-घटाने वाले बैक्टीरिया स्वाभाविक रूप से जल को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन अणुओं में विभाजित करते हैं या कार्बन डाइऑक्साइड को मीथेन में बदलते हैं।

अद्वितीय रूप से, एंजाइम हाइड्रोजेनेस या फ़ॉर्मेट डिहाइड्रोजेनेस और कार्बोनिक एन्हाइड्रेज़ के बीच अंतःक्रियाएँ एक सौर ईंधन के रूप में कार्य कर सकती हैं, और प्रतिक्रिया का उपयोग प्रमुख रासायनिक यौगिक बनाने के लिए किया जा सकता है। इन यौगिकों का अध्ययन करके, इंजीनियरों ने नैनोस्केल अंतःक्रियाओं को ध्यान में रखते हुए इष्टतम डिज़ाइन तैयार किया।

अर्ध-कृत्रिम पत्ता

विशेष रूप से, परिणाम एक अर्ध-कृत्रिम पत्ता डिज़ाइन था जो गैर-निर्दोष बफ़र्स, मध्यस्थ, या बलिदान एजेंटों का उपयोग किए बिना प्रकाशसंश्लेषण की नकल करता है। उल्लेखनीय रूप से, ऑर्गेनिक अर्धचालकों ने टीम को उच्च दक्षता हासिल करने में सक्षम बनाया क्योंकि प्रकाश-अवशोषक पॉलिमर और बैक्टीरियल एंजाइम मिलकर बफ़र्स या उत्प्रेरकों की आवश्यकता को समाप्त करते हैं।

कृत्रिम पत्ते परीक्षण

इंजीनियरों ने अपने अवधारणा को प्रदर्शित करने के लिए कई परीक्षण किए। टीम ने इलेक्ट्रोकेमिकल इम्पीडेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (EIS) का उपयोग करके प्रत्येक अबायोटिक-बायोटिक इंटरफ़ेस के इलेक्ट्रॉनिक सिग्नेचर को ट्रैक किया। इस रणनीति ने इंटरफ़ेस चार्ज ट्रांसफ़र तंत्रों में मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान की, जिससे प्रक्रिया को बेहतर बनाया जा सका।

स्वाइप करके स्क्रॉल करें →

कृत्रिम पत्ते परीक्षण परिणाम

उनके परीक्षणों के परिणाम दिखाते हैं कि उनका कृत्रिम पत्ता डिज़ाइन उच्च धारा को प्रभावी रूप से उत्पन्न कर सकता है। विशेष रूप से, कृत्रिम पत्ता अपने प्रतिक्रियाओं के दौरान लगभग पूर्ण ऊर्जा रूपांतरण करने में सक्षम था, जिससे इष्टतम फोटोवोल्टेज और फोटोकरंट घनत्व प्राप्त हुए।

इसके अतिरिक्त, वैज्ञानिक ने नोट किया कि उपकरण ने पूरी 24 घंटे तक संचालन किया, जिससे यह अपने निकटतम प्रतिस्पर्धी से दोगुना बेहतर रहा। इस कार्य ने अर्ध-ऑर्गेनिक रणनीति द्वारा प्रदान की गई अतिरिक्त स्थिरता को उजागर किया। विशेष रूप से, पत्ते ने दिखाया कि वह आवश्यकतानुसार स्थिर H₂ उत्पादन या चयनात्मक CO₂-से-फ़ॉर्मेट रूपांतरण को बनाए रख सकता है।

कृत्रिम पत्ते लाभ

इस कार्य के कई लाभ उद्योग को प्रदान किए जाते हैं। सबसे पहले, यह सतत दृष्टिकोण प्रदूषण को कम करने में मदद करेगा, क्योंकि यह एक हरी वैकल्पिक प्रदान करता है जो समान रूप से कुशल और उत्पादक है। अतिरिक्त रूप से, प्रणाली को आने वाले वर्षों में स्थापित औद्योगिक रासायनिक प्रक्रियाओं में आसानी से एकीकृत करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

स्थिरता

इस दृष्टिकोण का सबसे बड़ा लाभ यह है कि यह कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण प्रक्रियाओं के लिए एक नया स्थिरता स्तर प्रदान करता है। इस अध्ययन से पहले, कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण अधिकतम 12 घंटे तक सीमित था, और बहुत अधिक रखरखाव की आवश्यकता होती थी। अब, वैज्ञानिक बिना अतिरिक्त एडिटिव्स जोड़े पूरे एक दिन का संचालन बनाए रख सकते हैं, जिससे लागत, समय और पर्यावरण की बचत होती है।

गैर-विषाक्त

सभी पूर्व कृत्रिम पत्ता डिज़ाइनों को खतरनाक रसायनों का उपयोग करना पड़ता था। विशेष रूप से, विषाक्त प्रकाश अवशोषकों की आवश्यकता होती थी। यह नया दृष्टिकोण अधिक स्थिरता के साथ-साथ डिज़ाइन स्वतंत्रता के मामले में अधिक लचीलापन प्रदान करता है। इसलिए, यह अतिरिक्त उपयोग मामलों को देख सकता है।

कृत्रिम पत्ता अनुप्रयोग और व्यावसायीकरण समयरेखा

कृत्रिम पत्ते अध्ययन में किए गए खोजों के कई अनुप्रयोग हैं। यह तकनीक रासायनिक क्षेत्र को उसके मुख्य कार्यों को डी-फॉसिलाइज़ करके क्रांतिकारी बना देगी। अतिरिक्त रूप से, यह कंपनियों को अधिक टिकाऊ और शक्तिशाली सौर उपकरण बनाने में सक्षम करेगी, साथ ही फार्मास्यूटिकल, पॉलीमर और फ्रेगरेंस उद्योगों में उपयोग किए जाने वाले महत्वपूर्ण रासायनिक घटकों के निर्माण प्रक्रिया को सुधारती है।

कृत्रिम पत्ते समयरेखा

इस तकनीक को सार्वजनिक रूप से उपलब्ध होने में 5-10 वर्ष लग सकते हैं। औद्योगिक क्षेत्र अपने शून्य-कार्बन लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए एक तरीका खोजने के लिए उत्सुक है। इसलिए, यह तकनीक सरकार, उद्योग और शैक्षणिक क्षेत्रों दोनों से मजबूत समर्थन प्राप्त करने की संभावना रखती है।

कृत्रिम पत्ते शोधकर्ता

यह कृत्रिम पत्ते अध्ययन कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के प्रोफेसर एरविन रीसेनर और डॉ. सेलिन युंग द्वारा नेतृत्व किया गया था। उन्हें योंगपेंग लियू, डेविड एम. वैहे, रीटा आर. मैनुअल, और इनês ए.सी. पेरेरा की सहायता प्राप्त हुई। इस अध्ययन को सिंगापुर एजेंसी फॉर साइंस, टेक्नोलॉजी एंड रिसर्च, रॉयल एकेडमी ऑफ़ इंजीनियरिंग, यूके रिसर्च एंड इन्नोवेशन, यूरोपीय रिसर्च काउंसिल, और स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन द्वारा वित्तपोषित किया गया।

कृत्रिम पत्ते भविष्य

कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण अध्ययन का भविष्य उज्ज्वल दिखता है। इस कार्य के पीछे की टीम ने विज्ञान को परिपूर्ण करने में वर्षों बिताए हैं। उन्होंने अतीत में कई कृत्रिम पत्ते बनाए हैं, लेकिन उनके नवीनतम विकास की स्थिरता के समान कोई नहीं। इसलिए, आप उम्मीद कर सकते हैं कि यह टीम अपना शोध जारी रखेगी, प्रत्येक आवृत्ति को अनुकूलित करने का प्रयास करेगी, और एक नई इको-फ्रेंडली कृत्रिम पत्ते युग की शुरुआत करेगी।

रासायनिक निर्माण में निवेश

रासायनिक निर्माण क्षेत्र एक तेज़ी से बढ़ता उद्योग है जो ट्रिलियन डॉलर के वाणिज्य का हिस्सा है। आज, कई रासायनिक निर्माता दशकों से संचालन में हैं, जो दुनिया को वह महत्वपूर्ण निर्माण ब्लॉकों प्रदान करते हैं जो निरंतर प्रगति के लिए आवश्यक हैं। यहाँ एक कंपनी है जिसने गुणवत्ता और स्थिरता के लिए प्रतिष्ठा बनाई है।

Ecolab Inc.

Ecolab Inc. (ECL ) की स्थापना 1923 में सेंट पॉल, मिनेसोटा में Economics Laboratory, Inc. के रूप में हुई थी। कंपनी के संस्थापक, मेरिट जे. “एम.जे.” ओसबॉर्न, बढ़ते हॉस्पिटैलिटी उद्योग को उच्च-गुणवत्ता वाले कार्पेट क्लीनिंग समाधान प्रदान करना चाहते थे। इस इच्छा ने कंपनी के पहले उत्पाद, एक कार्पेट क्लीनर जिसका नाम Absorbit था, को जन्म दिया।

1957 में, Ecolab सार्वजनिक हुआ। इस कदम के तुरंत बाद कंपनी ने अपने संचालन और अधिग्रहणों का विस्तार किया। उदाहरण के लिए, 2011 में, इसने Nalco Holding Company का अधिग्रहण किया, जिससे यह जल उपचार उत्पादों की दिशा में मोड़ ले गया। आज, कंपनी औद्योगिक-ग्रेड जल उपचार, सफाई और स्वच्छता उत्पाद प्रदान करती है।

वे लोग जो एक स्थापित रासायनिक निर्माता की तलाश में हैं, उन्हें Ecolab में 100 से अधिक वर्षों का समृद्ध इतिहास मिलेगा। अतिरिक्त रूप से, यह Fortune 500 में 247वें स्थान पर है। इस प्रकार, ECL ने कंपनी के सार्वजनिक होने के आधे शताब्दी बाद से उल्लेखनीय निवेशक रुचि देखी है।

नवीनतम ECL (ECL) स्टॉक समाचार और प्रदर्शन

कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण में突破 | निष्कर्ष

कृत्रिम पत्ते अध्ययन में प्रस्तुत वैज्ञानिक कार्य कई उद्योगों पर एक गहरा प्रभाव डालेगा। यह तकनीक वैश्विक प्रदूषण को कम करने में मदद कर सकती है, बिना उत्पादन की कीमत पर समझौता किए। अतिरिक्त रूप से, यह अधिक जटिल ऑर्गेनिक रासायनिक यौगिकों के द्वार खोलती है, जो भविष्य में विषाक्त विकल्पों को बदलने में सक्षम हैं। इस कारण और कई अन्य कारणों से, इन शोधकर्ताओं को उनके कठिन परिश्रम और दूरदर्शिता के लिए सराहना मिलनी चाहिए।

अन्य स्थिरता तकनीकों के बारे में यहाँ जानें

निवेशक अंतर्दृष्टि

• कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण का व्यावसायीकरण: कैम्ब्रिज का अर्ध-ऑर्गेनिक कृत्रिम पत्ता अगले दशक में $6T रासायनिक निर्माण उद्योग में डी-कार्बोनाइजेशन को तेज़ कर सकता है।
• औद्योगिक संभावनाएँ: तकनीक की 24‑घंटे की स्थिरता और गैर‑विषाक्त डिज़ाइन इसे सतत रासायनिक और हाइड्रोजन उत्पादन प्रणालियों में एकीकृत करने के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाती है।
• निवेश पहलू: Ecolab Inc. (NYSE: ECL) जैसी कंपनियाँ—जिनके पास जल उपचार और हरे प्रक्रिया रसायन में प्रमुख स्थितियाँ हैं—कृत्रिम‑पत्ता तकनीकों के औद्योगिक अपनाने से लाभान्वित हो सकती हैं।

संदर्भ:

^{1. Yeung, C. W. S., Liu, Y., Vahey, D. M., Manuel, R. R., Pereira, I. A. C., & Reisner, E. (2025). Semi-artificial leaf interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis. Joule. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.10.004}