DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-54073-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42218215
تاريخ النشر: 2026-05-30
المؤلف: E. R. Sheha وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تخليق مواد نانوية من البيروفيسكايت SrMnO₃ المدمجة باللانتانيوم (LSM) باستخدام طريقة الحالة الصلبة، مع محتويات مختلفة من اللانتانيوم (0.0-2.0 wt%)، وتم تقييم فعاليتها في التحلل الضوئي المدفوع بالضوء المرئي لصبغة الميثيلين الأزرق (MB). أكدت التحليلات الهيكلية تشكيل هيكل بيروفيسكايت أحادي الطور، بينما كشفت المجهر الإلكتروني الناقل عن انخفاض في حجم الجسيمات مع إدماج اللانتانيوم الأمثل. أظهرت التحليلات البصرية انخفاضًا طفيفًا في فجوة الطاقة من 2.38 eV إلى 2.24 eV، مما يعزز امتصاص الضوء المرئي، وأظهرت دراسات الفلورية الضوئية قمعًا كبيرًا لإعادة تركيب الإلكترونات والثقوب، خاصة في عينة LSM3 (1.0 wt% La). حقق المحفز الضوئي LSM3 كفاءة تحلل تبلغ حوالي 99.03% وثابت معدل قدره 0.01648 دقيقة⁻¹، متفوقًا على SrMnO₃ النقي، الذي كانت كفاءة تحلله حوالي 85.61%.
تم توضيح آلية التحلل الضوئي من خلال تحليل حافة النطاق، مما يشير إلى أن نطاق التكافؤ مناسب لتوليد الجذور الهيدروكسيلية (•OH)، بينما لا favor نطاق التوصيل تشكيل فوق أكسيد مباشر. يتم التحكم في العملية بواسطة آلية نقل الشحنات المدفوعة بالعيوب، حيث تعمل الفراغات الأكسجينية الناتجة عن اللانتانيوم والحالات الإلكترونية المحلية كفخاخ للإلكترونات، مما يسهل توليد الأنواع التفاعلية من الأكسجين. أكدت تجارب قنص الجذور أن •OH و •O₂⁻ هما الأنواع النشطة الرئيسية المشاركة في عملية التحلل. يُعزى الأداء المحسن للتحلل الضوئي لـ LSM3 إلى تركيز العيوب المحسن، وحجم البلورات المخفض (~9 نانومتر)، وتحسين فصل الشحنات، مما يُظهر أن هندسة العيوب من خلال دمج العناصر الأرضية النادرة هي استراتيجية واعدة لتطوير محفزات ضوئية فعالة لتطبيقات معالجة مياه الصرف.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون تخليق مركبات نانوية من MnO المدمجة باللانتانيوم والسترونتيوم باستخدام طريقة الحالة الصلبة التقليدية. تضمنت المواد الأولية نترات اللانتانيوم الهيدرات السداسية من الدرجة التحليلية، ونترات السترونتيوم، وأكسيد المنغنيز (II)، جميعها من مصادر Sigma-Aldrich. تضمنت عملية التخليق وزنًا دقيقًا للمواد السابقة وفقًا لنسب الوزن المحددة لـ La:Sr (0.0، 0.25، 0.5، 1.0، و 2.0 wt%)، تلاها خلط وطحن شامل لضمان التجانس. تم طحن الخليط الناتج في الإيثانول، وتجفيفه، وحرقه عند 800 درجة مئوية لمدة 4 ساعات لتعزيز تشكيل الطور والتبلور.
تم إبلاغ تركيزات المضافات المختارة من خلال دراسات تحسين سابقة، مما يشير إلى أن دمج اللانتانيوم ضمن نطاق 0.5-2.0 wt% يعزز النشاط الحفاز في أكاسيد المنغنيز، مع تحميل مثالي يبلغ حوالي 1.0 wt% مما ينتج استجابة ضوئية متفوقة وكفاءة تحلل الملوثات. تم تفضيل مسار التخليق في الحالة الصلبة بسبب قابليته للتوسع وإمكانية تكراره، بينما كانت درجة حرارة الحرق المختارة 800 درجة مئوية مستندة إلى دراسات مثبتة عن المنغنيز البيروفيسكايت، مما يضمن انتشار الحالة الصلبة الفعال واستقرار الشبكة دون نمو حبيبات مفرط أو تشكيل مراحل ثانوية.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع اختبارات إحصائية تشير إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. علاوة على ذلك، تُظهر البيانات اتجاهًا واضحًا يدعم الفرضيات الأولية، خاصة فيما يتعلق بتأثير المتغير X على النتيجة Y.
بالإضافة إلى النتائج الكمية، تم ملاحظة ملاحظات نوعية، مما يوفر رؤى أعمق حول الآليات الأساسية المعنية. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تأكيد الدراسات السابقة بينما تقدم أيضًا وجهات نظر جديدة حول التفاعلات بين المتغيرات المدروسة. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المزيد من الاستكشاف في هذا المجال لفهم الآثار المترتبة على هذه العلاقات بشكل كامل.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة توصيف وأداء التحلل الضوئي لمركبات نانوية من SrMnO₃ المدمجة باللانتانيوم. أكدت التحليلات الهيكلية من خلال حيود الأشعة السينية (XRD) وجود هيكل بيروفيسكايت سداسي الطور، حيث أدى دمج اللانتانيوم إلى توسيع الشبكة وتقليل أحجام البلورات، خاصة عند 1.0 wt% La، التي أظهرت أصغر حجم بلوري (~9.01 نانومتر). يُعتبر هذا الانخفاض مفيدًا للنشاط التحليلي الضوئي حيث يزيد من المساحة السطحية المحددة والمواقع النشطة للتفاعلات. أشارت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) إلى دمج ناجح للانتانيوم دون تغيير الهيكل الأساسي، بينما كشفت مطيافية UV-Vis أن دمج اللانتانيوم بشكل معتدل حسن من امتصاص الضوء المرئي، مما يتماشى مع تحسين الكفاءة التحليلية الضوئية.
تم تقييم النشاط التحليلي الضوئي باستخدام تحلل الميثيلين الأزرق (MB) تحت الضوء المرئي، مما يظهر أن دمج اللانتانيوم عزز الأداء بشكل كبير، حيث حقق مستوى الدمج الأمثل (1.0 wt%) كفاءة تحلل تبلغ ~99.0%. عزت الدراسة هذا التحسن إلى تعديل إلكتروني مدفوع بالعيوب، مما يسهل فصل الشحنات ويقمع إعادة تركيب أزواج الإلكترونات والثقوب الناتجة عن الضوء. تتضمن الآلية توليد الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS) من خلال أكسدة مجموعات الهيدروكسيل السطحية والاختزال غير المباشر للأكسجين الجزيئي عبر حالات العيوب. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن دمج اللانتانيوم بشكل محكم يعزز بشكل فعال الأداء التحليلي الضوئي لمركبات SrMnO₃ النانوية، مما يجعلها مرشحة واعدة لتطبيقات معالجة مياه الصرف.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-54073-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42218215
Publication Date: 2026-05-30
Author(s): E. R. Sheha et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
In this study, La co-doped SrMnO₃ (LSM) perovskite nanomaterials were synthesized using a solid-state method, with varying La contents (0.0-2.0 wt%), and evaluated for their efficacy in visible-light-driven photocatalytic degradation of methylene blue (MB). Structural characterization confirmed the formation of a single-phase perovskite structure, while transmission electron microscopy revealed a decrease in particle size with optimal La incorporation. Optical analysis indicated a slight band gap narrowing from 2.38 eV to 2.24 eV, enhancing visible-light absorption, and photoluminescence studies showed significant suppression of electron-hole recombination, particularly in the LSM3 sample (1.0 wt% La). The LSM3 photocatalyst achieved a degradation efficiency of approximately 99.03% and a rate constant of 0.01648 min⁻¹, outperforming pristine SrMnO₃, which had a degradation efficiency of around 85.61%.
The photocatalytic mechanism was elucidated through band edge analysis, indicating that the valence band is conducive to hydroxyl radical (•OH) generation, while the conduction band does not favor direct superoxide formation. The process is governed by a defect-mediated charge transfer mechanism, where La-induced oxygen vacancies and localized electronic states serve as electron traps, facilitating the generation of reactive oxygen species. Radical scavenger experiments confirmed that •OH and •O₂⁻ are the primary active species involved in the degradation process. The enhanced photocatalytic performance of LSM3 is attributed to optimized defect concentration, reduced crystallite size (~9 nm), and improved charge separation, demonstrating that defect engineering via rare-earth doping is a promising strategy for developing efficient photocatalysts for wastewater treatment applications.
Methods
In this section, the authors detail the synthesis of La, Sr co-doped MnO heterostructure nanocomposites using a conventional solid-state method. The starting materials included analytical grade lanthanum nitrate hexahydrate, strontium nitrate, and manganese(II) oxide, all sourced from Sigma-Aldrich. The synthesis process involved precise weighing of the precursors according to specified La:Sr weight ratios (0.0, 0.25, 0.5, 1.0, and 2.0 wt%), followed by thorough mixing and grinding to ensure homogeneity. The resulting mixture was ball-milled in ethanol, dried, and calcined at 800 °C for 4 hours to promote phase formation and crystallization.
The selected dopant concentrations were informed by previous optimization studies, indicating that La doping within the range of 0.5-2.0 wt% enhances catalytic activity in Mn-based oxides, with an optimal loading of approximately 1.0 wt% yielding superior photocurrent response and pollutant degradation efficiency. The solid-state synthesis route was favored for its scalability and reproducibility, while the chosen calcination temperature of 800 °C was based on established studies of perovskite manganites, ensuring effective solid-state diffusion and lattice stabilization without excessive grain growth or secondary phase formation.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Furthermore, the data demonstrate a clear trend that supports the initial hypotheses, particularly in relation to the impact of variable X on outcome Y.
In addition to the quantitative results, qualitative observations were noted, providing deeper insights into the underlying mechanisms at play. These findings contribute to the existing body of literature by confirming previous studies while also offering new perspectives on the interactions between the studied variables. Overall, the results underscore the importance of further exploration in this area to fully understand the implications of these relationships.
Discussion
In this section, the study discusses the characterization and photocatalytic performance of La co-doped SrMnO₃ heterostructure nanocomposites. The structural analysis through X-ray diffraction (XRD) confirmed a single-phase hexagonal perovskite structure, with La doping leading to lattice expansion and reduced crystallite sizes, particularly at 1.0 wt% La, which exhibited the smallest crystallite size (~9.01 nm). This reduction is beneficial for photocatalytic activity as it increases the specific surface area and active sites for reactions. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) indicated successful La incorporation without altering the fundamental structure, while UV-Vis spectroscopy revealed that moderate La doping improved visible light absorption, correlating with enhanced photocatalytic efficiency.
The photocatalytic activity was evaluated using methylene blue (MB) degradation under visible light, showing that La doping significantly enhanced performance, with the optimal doping level (1.0 wt%) achieving a degradation efficiency of ~99.0%. The study attributed this improvement to defect-engineered electronic modulation, which facilitates charge separation and suppresses recombination of photogenerated electron-hole pairs. The mechanism involves the generation of reactive oxygen species (ROS) through the oxidation of surface hydroxyl groups and the indirect reduction of molecular oxygen via defect states. Overall, the findings suggest that controlled La doping effectively enhances the photocatalytic performance of SrMnO₃ nanocomposites, making them promising candidates for wastewater treatment applications.