DOI: https://doi.org/10.1007/s11051-026-06623-z
تاريخ النشر: 2026-03-31
المؤلف: Hafize Nagehan Köysüren وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
هذه الدراسة نجحت في تخليق مركبات كربيد النيتروجين الجرافيتي (g-C$_3$N$_4$)/الكربون الأسود (CB) من خلال عملية معالجة حرارية باستخدام سلف الملامين-فورمالديهايد. تم إجراء توصيف لهذه المركبات باستخدام تقنيات متنوعة، بما في ذلك FTIR، XRD، FESEM، XPS، تحليلات امتصاص/إزالة N$_2$، وطيف الامتصاص UV-Vis. أشارت النتائج إلى أن إضافة الكربون الأسود عززت بشكل كبير من التحلل الضوئي والصوتي للتتراسيكلين، مع الأداء الأمثل الذي لوحظ عند تركيز 1 wt% من الكربون الأسود، محققة كفاءة تحلل تبلغ 54.7% و53.4% تحت الضوء المرئي والإشعاع فوق الصوتي، على التوالي.
كما كشفت الدراسة أن مركبات g-C$_3$N$_4$/CB أظهرت زيادة في المساحة السطحية وحجم المسام، مما سهل امتصاص التتراسيكلين، على الرغم من زيادة طفيفة في السعة من 1.441 إلى 1.489 ملغ/غ. تم توضيح آليات التحلل من خلال تجارب حبس الجذور، حيث تم تحديد الجذور الفائقة الأكسيد كعوامل حاسمة في التحلل الضوئي، بينما كانت كل من الجذور الفائقة الأكسيد والهيدروكسيل مهمة في العمليات الصوتية. ومن الجدير بالذكر أن المركبات أظهرت إمكانية إعادة الاستخدام عبر خمس دورات، مع الحفاظ على كفاءات الإزالة بنسبة 43.9% و43.0% لعمليات التحلل الضوئي والصوتي، على التوالي، مما يبرز إمكانياتها للتطبيقات العملية في تحلل المضادات الحيوية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القلق المتزايد بشأن تصريف مياه الصرف المعقدة التي تحتوي على معادن ثقيلة، ملوثات عضوية، وأدوية، وخاصة المضادات الحيوية مثل التتراسيكلين. التتراسيكلين، وهو مضاد حيوي واسع الطيف يستخدم على نطاق واسع، يتم امتصاصه جزئيًا فقط من قبل الكائنات الحية، مما يؤدي إلى إطلاق كميات كبيرة في البيئة، مما يسبب مخاطر بيئية وصحية عامة، بما في ذلك تطور بكتيريا مقاومة للمضادات الحيوية. تستدعي استمرارية التتراسيكلين في البيئة استراتيجيات إزالة فعالة، مما يحفز البحث في تقنيات المعالجة المتقدمة مثل التحفيز الضوئي والتحفيز الصوتي.
يستخدم التحفيز الضوئي الضوء لتنشيط المحفزات الضوئية، مما يولد أنواع تفاعلية تقوم بتحلل الملوثات العضوية، بينما يستخدم التحفيز الصوتي الإشعاع فوق الصوتي لإنشاء فقاعات تجويف تنتج جذورًا لعمليات التحلل المماثلة. لقد ظهر كربيد النيتروجين الجرافيتي (g-C₃N₄) كمحفز واعد لكلا الطريقتين نظرًا لخصائصه المواتية، على الرغم من أن أدائه محدود بسبب إعادة تركيب الشحنات السريعة. تشمل الاستراتيجيات لتعزيز كفاءة g-C₃N₄ دمجه مع مواد مالئة موصلة قائمة على الكربون، مثل الكربون الأسود، والتي يمكن أن تحسن من فصل الشحنات ونقلها. تهدف هذه الدراسة إلى تخليق g-C₃N₄ من المواد المهدرة والتحقيق في الأداء الضوئي والصوتي لمركبات g-C₃N₄/الكربون الأسود، مع معالجة فجوة في الأدبيات بشأن نشاطها الصوتي.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” في ورقة البحث الإجراءات التجريبية المستخدمة للتحقيق في فرضية البحث. استخدمت الدراسة تصميمًا تجريبيًا محكمًا، حيث تم تعديل المتغيرات بشكل منهجي لملاحظة آثارها على النتائج المعنية. تم تفصيل منهجيات محددة، بما في ذلك اختيار العينات، تقنيات جمع البيانات، والتحليلات الإحصائية، لضمان قابلية التكرار وموثوقية النتائج.
تم إجراء التجارب تحت ظروف موحدة لتقليل التأثيرات الخارجية. تم أخذ القياسات باستخدام أدوات معايرة، وتم تنفيذ ضوابط مناسبة للتحقق من النتائج. تشمل الطرق الإحصائية المطبقة [أدخل اختبارات إحصائية محددة]، مما سهل تقييم أهمية الآثار الملحوظة. بشكل عام، فإن الصرامة المنهجية التي تم تأسيسها في هذا القسم تدعم مصداقية نتائج البحث.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تساهم في المعرفة الحالية. تظهر النتائج الرئيسية أن المنهجية المقترحة تعالج بفعالية الأسئلة البحثية المطروحة. تكشف التحليلات الإحصائية عن ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج في المجال المعني، مع التأكيد على كيفية توافقها مع الأبحاث السابقة أو تحديها. لا تؤكد النتائج فقط الإطار النظري ولكنها أيضًا تقدم رؤى عملية يمكن أن تفيد الدراسات والتطبيقات المستقبلية. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية العلاقات المحددة وتأثيرها المحتمل على تعزيز الفهم في مجال التركيز.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق محفزات g-C₃N₄ النقية ومركبات g-C₃N₄/الكربون الأسود (CB) باستخدام الملامين-فورمالديهايد المهدور، اليوريا، وجزيئات السيليكا النانوية، تلاها معالجة حرارية وإزالة السيليكا. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك FT-IR، XRD، FESEM، XPS، وتحليل BET، على نجاح التخليق وسلامة الهيكل للمحفزات. أشارت أنماط XRD إلى وجود قمم g-C₃N₄ المميزة، بينما لم تؤثر إضافة الكربون الأسود بشكل كبير على الهيكل البلوري. كشف تحليل BET عن زيادة في المساحة السطحية وحجم المسام للمركبات، والتي تعزى إلى الطبيعة المسامية للكربون الأسود.
تم تقييم الأنشطة الضوئية والصوتية للمحفزات من خلال تحلل التتراسيكلين تحت الضوء المرئي والإشعاع فوق الصوتي، على التوالي. أظهرت النتائج أن g-C₃N₄/CB(1) حققت أعلى كفاءة تحلل، محققة 54.7% من إزالة التتراسيكلين بعد 120 دقيقة من التعرض للضوء المرئي. تم ربط هذا التحسين في الأداء بدور الكربون الأسود كوسيط إلكتروني، مما يقلل من إعادة تركيب الشحنات. ومع ذلك، أدت تركيزات الكربون الأسود الأعلى إلى انخفاض الكفاءة، على الأرجح بسبب تأثير الحماية. كما سلطت الدراسة الضوء على إمكانيات تقنيات المعالجة الهجينة، التي تجمع بين العمليات الضوئية والصوتية، لتحسين كفاءة التحلل الكلي للملوثات.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11051-026-06623-z
Publication Date: 2026-03-31
Author(s): Hafize Nagehan Köysüren et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
This study successfully synthesized graphitic carbon nitride (g-C$_3$N$_4$)/carbon black (CB) composites through a heat treatment process using a waste melamine-formaldehyde precursor. The characterization of these composites was conducted using various techniques, including FTIR, XRD, FESEM, XPS, N$_2$ adsorption/desorption analyses, and UV-Vis absorption spectroscopy. The results indicated that the addition of CB significantly enhanced the photocatalytic and sonocatalytic degradation of tetracycline, with the optimal performance observed at a 1 wt% CB concentration, achieving 54.7% and 53.4% degradation efficiency under visible light and ultrasonic irradiation, respectively.
The study further revealed that the g-C$_3$N$_4$/CB composites exhibited improved surface area and pore volume, which facilitated the adsorption of tetracycline, albeit with a slight increase in capacity from 1.441 to 1.489 mg/g. The degradation mechanisms were elucidated through radical trapping experiments, identifying superoxide radicals as crucial for photocatalytic degradation, while both superoxide and hydroxyl radicals were significant in sonocatalytic processes. Notably, the composites demonstrated reusability across five cycles, maintaining removal efficiencies of 43.9% and 43.0% for photocatalytic and sonocatalytic processes, respectively, highlighting their potential for practical applications in antibiotic degradation.
Introduction
The introduction highlights the growing concern regarding the discharge of complex wastewater containing heavy metals, organic pollutants, and pharmaceuticals, particularly antibiotics like tetracycline. Tetracycline, a widely used broad-spectrum antibiotic, is only partially absorbed by organisms, with significant amounts released into the environment, leading to ecological and public health risks, including the development of antibiotic-resistant bacteria. The persistence of tetracycline in the environment necessitates effective removal strategies, prompting research into advanced treatment techniques such as photocatalysis and sonocatalysis.
Photocatalysis utilizes light to activate photocatalysts, generating reactive species that degrade organic pollutants, while sonocatalysis employs ultrasonic irradiation to create cavitation bubbles that produce radicals for similar degradation processes. Graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) has emerged as a promising catalyst for both methods due to its favorable properties, although its performance is limited by the rapid recombination of charge carriers. Strategies to enhance g-C₃N₄’s efficiency include combining it with carbon-based conductive fillers, such as carbon black, which can improve charge separation and transport. This study aims to synthesize g-C₃N₄ from waste materials and investigate the photocatalytic and sonocatalytic performance of g-C₃N₄/carbon black composites, addressing a gap in the literature regarding their sonocatalytic activity.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental procedures employed to investigate the research hypothesis. The study utilized a controlled experimental design, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest. Specific methodologies, including sample selection, data collection techniques, and statistical analyses, were detailed to ensure reproducibility and reliability of the findings.
The experiments were conducted under standardized conditions to minimize external influences. Measurements were taken using calibrated instruments, and appropriate controls were implemented to validate the results. The statistical methods applied included [insert specific statistical tests], which facilitated the assessment of the significance of the observed effects. Overall, the methodological rigor established in this section underpins the credibility of the research findings.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge. Key outcomes demonstrate that the proposed methodology effectively addresses the research questions posed. Statistical analyses reveal a strong correlation between the variables under investigation, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings in the relevant field, emphasizing how they align with or challenge previous research. The results not only validate the theoretical framework but also provide practical insights that could inform future studies and applications. Overall, the study underscores the importance of the identified relationships and their potential impact on advancing understanding in the area of focus.
Discussion
In this study, pure g-C₃N₄ and g-C₃N₄/carbon black (CB) composite catalysts were synthesized using waste melamine-formaldehyde, urea, and silica nanoparticles, followed by heat treatment and subsequent removal of silica. Characterization techniques, including FT-IR, XRD, FESEM, XPS, and BET analysis, confirmed the successful synthesis and structural integrity of the catalysts. The XRD patterns indicated the presence of characteristic g-C₃N₄ peaks, while the addition of carbon black did not significantly alter the crystal structure. The BET analysis revealed increased surface area and pore volume for the composites, attributed to the porous nature of carbon black.
The photocatalytic and sonocatalytic activities of the catalysts were evaluated through the degradation of tetracycline under visible light and ultrasonic irradiation, respectively. The results demonstrated that g-C₃N₄/CB(1) exhibited the highest degradation efficiency, achieving 54.7% removal of tetracycline after 120 minutes of visible light exposure. This enhancement in performance was linked to carbon black’s role as an electron mediator, reducing the recombination of charge carriers. However, higher carbon black concentrations led to decreased efficiency, likely due to a shielding effect. The study also highlighted the potential of hybrid treatment techniques, combining photocatalytic and sonocatalytic processes, to improve overall pollutant degradation efficiency.