DOI: https://doi.org/10.25259/jksus_1370_2025
تاريخ النشر: 2026-02-09
المؤلف: Zarah Alqarni
الموضوع الرئيسي: تحفيز ضوء TiO2 وخلايا الشمس
نظرة عامة
تقدم الورقة مشغلات $\lambda$-Bernstein باستخدام نوع جديد من بولينوميات العقد المنقولة من نوع Stancu المرتبطة بدوال قاعدة Bézier. يقوم المؤلفون أولاً ببناء هذه المشغلات ثم يحللون خصائص التقريب المحلية والعالمية لها باستخدام معيار ديتزيان-توتيك الموحد للنعومة لوظيفة وزن خطوة. يثبتون نظرية التقارب للدوال المستمرة القصوى الناتجة عن ليبشيتز ويستخلصون نظريات مباشرة تتعلق بالوظيفة $K$ لـ Peetre. بالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم نظرية تقريب كمية من نوع Voronovskaja.
في الاستنتاجات، تسلط الدراسة الضوء على تطوير نانو مركب TiO₂/PHEMA (NC) كعامل حفاز فعال لتدهور المبيدات CPF و IMD المدفوعة بأشعة الشمس. تؤكد التحليلات الهيكلية والبصرية على نجاح التهجين، مما يؤدي إلى تقليل طاقة فجوة النطاق وزيادة الاستقرار. يظهر نانو مركب TiO₂/PHEMA كفاءة تدهور متفوقة واستقرار تشغيلي مقارنة بـ TiO₂ النقي، مع تحقيق أداء حفاز مثالي تحت ظروف قلوية (pH 10). يظهر الحفاز قابلية إعادة استخدام ممتازة على مدى خمس دورات، مما يشير إلى جدواه العملية في معالجة المبيدات. ومع ذلك، تشير الدراسة إلى الحاجة إلى التحقق في مصفوفات المياه الطبيعية وتقر بالقيود مثل نقص تحليل سطح Brunauer-Emmett-Teller (BET). ستركز الأبحاث المستقبلية على توصيف النسيج، وتحديد مسارات التدهور، واختبارها في ظروف مياه الصرف الصحي الحقيقية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على القضية الملحة لتلوث المبيدات في البيئات المائية، مع التركيز بشكل خاص على الكلوربيريفوس (CPF) والإيميداكلوبريد (IMD)، اللذان يشكلان مخاطر كبيرة على النظم البيئية وصحة الإنسان. يتميز CPF بخصائصه الكارهة للماء وانخفاض قابليته للتحلل الحيوي، مما يؤدي إلى استمراريته وتراكمه الحيوي في المسطحات المائية، بينما يرتبط IMD، على الرغم من كونه أكثر قابلية للذوبان في الماء، بالسمية العصبية في الكائنات غير المستهدفة. أثبتت طرق العلاج التقليدية عدم كفايتها بسبب القيود مثل عدم اكتمال التمعدن والتلوث الثانوي، مما يستدعي تطوير استراتيجيات تدهور فعالة ومستدامة ومدفوعة بالطاقة الشمسية.
تقترح الورقة استخدام ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) كعامل حفاز لتدهور هذه الملوثات العضوية المستمرة، مشيرة إلى استقراره العالي وإمكاناته المؤكسدة تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك، فإن فعالية TiO₂ النقي تعيقها فجوة النطاق الواسعة وإعادة تركيب حامل الشحنة بسرعة. لمعالجة هذه التحديات، يستكشف المؤلفون تعديل TiO₂ باستخدام بولي (2-هيدروكسي إيثيل ميثاكريلات) (PHEMA)، مما يعزز أدائه الحفاز الضوئي من خلال تحسين ديناميات الشحنة وتوسيع امتصاص الضوء إلى الطيف المرئي. تقدم هذه الدراسة تخليق نانو مركبات TiO₂/PHEMA وتطبيقها في تدهور CPF و IMD تحت ضوء الشمس، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في مجال تنقية البيئة ويظهر إمكانات مصفوفات البوليمر في تعزيز الكفاءة الحفازة الضوئية لمعالجة المبيدات.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في أبحاثهم حول التدهور الحفاز الضوئي. تضمنت المواد الأساسية أكسيد التيتانيوم (IV) إيزوبروبوكسايد (Ti[OCH(CH₃)₂]₄)، 2-هيدروكسي إيثيل ميثاكريلات (HEMA)، بيرسلفات الأمونيوم، كحول إيزوبروبيل، حمض الأسيتيك الجليدي، وحمض الهيدروكلوريك، جميعها مستمدة من Sigma-Aldrich وتم استخدامها دون مزيد من التنقية. بالإضافة إلى ذلك، كانت الملوثات النموذجية لدراسات التدهور هي الكلوربيريفوس (CPF) والإيميداكلوبريد (IMD)، التي تم الحصول عليها من Merck.
أكد المؤلفون على الالتزام ببروتوكولات السلامة المؤسسية خلال التجارب التي تتضمن هذه المواد الكيميائية. تم تنفيذ طرق التخلص المناسبة لبقايا المبيدات ونفايات المذيبات، مما يضمن الامتثال لنظام إدارة النفايات الخطرة في الجامعة. تؤكد هذه الاختيارات الدقيقة والتعامل مع المواد التزام الدراسة بالسلامة والمسؤولية البيئية في سياق البحث الحفاز الضوئي.
نتائج
تشير النتائج إلى أن نانو مركب TiO₂/PHEMA (NC) يظهر قابلية إعادة استخدام واستقرار ملحوظين كعامل حفاز لتدهور المبيدات، وبشكل خاص CPF و IMD. على مدى خمس دورات حفاز ضوئي متتالية، أظهرت كفاءة التدهور انخفاضًا طفيفًا فقط، حيث انخفض CPF من 95.68% إلى 92.02% و IMD من 97.36% إلى 93.01%. يُعزى هذا الانخفاض الطفيف في الكفاءة إلى احتمال تلوث السطح من المنتجات الوسيطة أو فقدان طفيف للحفاز أثناء الاسترداد، ومع ذلك، حافظ الحفاز الضوئي باستمرار على كفاءة تزيد عن 92%، مما يبرز متانته وموثوقيته تحت الإشعاع الشمسي.
تؤكد تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) أيضًا على السلامة الهيكلية لنانو مركب TiO₂/PHEMA NC بعد الاستخدام المتكرر. كشفت أنماط XRD الأولية عن وجود كل من طور الأناتاز والروتيل؛ ومع ذلك، بعد خمس دورات، ظلت قمم الأناتاز مهيمنة بينما تضاءلت إشارات الروتيل، مما يشير إلى تعديل تفضيلي محتمل للهيكل السطحي تحت الإشعاع. من المهم أن غياب الأطوار الجديدة أو التبلور غير المنتظم يشير إلى أن NC يحتفظ بسلامته البلورية، وهو ما يتماشى مع أدائه الحفاز الضوئي المستدام عبر عدة دورات. تؤكد هذه النتائج على نانو مركب TiO₂/PHEMA كعامل حفاز فعال ومستقر للتطبيقات البيئية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التطور الناجح لنانو مركب TiO₂/poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (TiO₂/PHEMA NC) كعامل حفاز فعال لتدهور المبيدات الكلوربيريفوس (CPF) والإيميداكلوبريد (IMD) تحت ضوء الشمس الطبيعي. تم تأكيد تخليق نانو جزيئات TiO₂ ودمجها في مصفوفة PHEMA من خلال تقنيات توصيف مختلفة، والتي أظهرت تحسينات في الخصائص البصرية، بما في ذلك فجوة نطاق ضيقة تبلغ حوالي 2.6 eV، وزيادة في التشتت، وتحسين ديناميات نقل الشحنة مقارنة بـ TiO₂ النقي. أظهر نانو مركب TiO₂/PHEMA كفاءات حفاز ضوئي ملحوظة، حيث حقق 95.6% من تدهور CPF و97.3% من IMD، متجاوزًا بشكل كبير أداء TiO₂ غير المعدل.
يُعزى النشاط الحفاز الضوئي المحسن إلى عدة تأثيرات تآزرية، بما في ذلك تحسين امتصاص الضوء، وتقليل إعادة تركيب الإلكترون والثقب، وزيادة التفاعل السطحي بسبب مصفوفة البوليمر. كما تؤكد الدراسة على أهمية المعلمات التشغيلية مثل pH، وتركيز المبيد الأولي، وجرعة الحفاز في تحسين كفاءة التدهور، حيث أثبتت الظروف القلوية (pH 10) أنها الأكثر فعالية. أظهر نانو مركب TiO₂/PHEMA قابلية إعادة استخدام ممتازة على مدى خمس دورات، مما يبرز إمكاناته كحل قابل للتوسع ومستدام لمعالجة المبيدات المستمرة. بشكل عام، توفر هذه الدراسة طريقًا واعدًا لتطوير عوامل حفازة ضوئية فعالة لتطبيقات تنقية البيئة.
DOI: https://doi.org/10.25259/jksus_1370_2025
Publication Date: 2026-02-09
Author(s): Zarah Alqarni
Primary Topic: TiO2 Photocatalysis and Solar Cells
Overview
The paper introduces the $\lambda$-Bernstein operators utilizing a novel variant of Stancu-type shifted knots polynomials associated with Bézier basis functions. The authors first construct these operators and then analyze their local and global approximation properties using the Ditzian-Totik uniform modulus of smoothness for a step weight function. They establish a convergence theorem for Lipschitz-generated maximal continuous functions and derive direct theorems related to Peetre’s $K$-functional. Additionally, a quantitative Voronovskaja-type approximation theorem is presented.
In the conclusions, the study highlights the development of a TiO₂/PHEMA nanocomposite (NC) as an effective photocatalyst for the sunlight-driven degradation of the pesticides CPF and IMD. Structural and optical analyses confirm successful hybridization, leading to reduced bandgap energy and improved stability. The TiO₂/PHEMA NC demonstrates superior degradation efficiency and operational stability compared to pristine TiO₂, with optimal photocatalytic performance achieved under alkaline conditions (pH 10). The catalyst shows excellent reusability over five cycles, indicating its practical viability for pesticide remediation. However, the study notes the need for validation in natural water matrices and acknowledges limitations such as the lack of Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface analysis. Future research will focus on textural characterization, degradation pathway identification, and testing in real wastewater conditions.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the pressing issue of pesticide contamination in aquatic environments, specifically focusing on chlorpyrifos (CPF) and imidacloprid (IMD), which pose significant risks to ecosystems and human health. CPF is characterized by its hydrophobicity and low biodegradability, leading to its persistence and bioaccumulation in water bodies, while IMD, though more water-soluble, is linked to neurotoxicity in non-target organisms. Traditional treatment methods have proven inadequate due to limitations such as incomplete mineralization and secondary pollution, necessitating the development of efficient, sustainable, and solar-driven degradation strategies.
The paper proposes the use of titanium dioxide (TiO₂) as a photocatalyst for degrading these persistent organic pollutants, noting its high stability and oxidative potential under UV light. However, the effectiveness of pristine TiO₂ is hindered by its wide band gap and rapid charge-carrier recombination. To address these challenges, the authors explore the modification of TiO₂ with poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA), which enhances its photocatalytic performance by improving charge dynamics and extending light absorption into the visible spectrum. This study presents the synthesis of TiO₂/PHEMA nanocomposites and their application in the photocatalytic degradation of CPF and IMD under sunlight, marking a significant advancement in the field of environmental purification and demonstrating the potential of polymer matrices in enhancing photocatalytic efficiency for pesticide remediation.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research on photocatalytic degradation. The primary materials included titanium(IV) isopropoxide (Ti[OCH(CH₃)₂]₄), 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), ammonium persulfate, isopropyl alcohol, glacial acetic acid, and hydrochloric acid, all sourced from Sigma-Aldrich and used without further purification. Additionally, the model pollutants for the degradation studies were chlorpyrifos (CPF) and imidacloprid (IMD), obtained from Merck.
The authors emphasized adherence to institutional safety protocols during experiments involving these chemicals. Proper disposal methods for pesticide residues and solvent wastes were implemented, ensuring compliance with the university’s hazardous waste management system. This careful selection and handling of materials underscore the study’s commitment to safety and environmental responsibility in the context of photocatalytic research.
Results
The results indicate that the TiO₂/PHEMA nanocomposite (NC) exhibits remarkable reusability and stability as a photocatalyst for the degradation of pesticides, specifically CPF and IMD. Over five successive photocatalytic cycles, the degradation efficiency showed only a slight decline, with CPF decreasing from 95.68% to 92.02% and IMD from 97.36% to 93.01%. This minimal reduction in efficiency is attributed to potential surface fouling by intermediate products or minor catalyst loss during recovery, yet the photocatalyst consistently maintained over 92% efficiency, underscoring its durability and reliability under solar irradiation.
X-ray diffraction (XRD) analysis further corroborates the structural integrity of the TiO₂/PHEMA NC after repeated use. Initial XRD patterns revealed both anatase and rutile phases; however, after five cycles, the anatase peaks remained dominant while the rutile signals diminished, indicating a possible preferential modification of the surface structure under irradiation. Importantly, the absence of new phases or amorphization suggests that the NC retains its crystalline integrity, which is consistent with its sustained photocatalytic performance across multiple cycles. These findings affirm the TiO₂/PHEMA NC as an effective and stable photocatalyst for environmental applications.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the successful development of a TiO₂/poly(2-hydroxyethyl methacrylate) nanocomposite (TiO₂/PHEMA NC) as an effective photocatalyst for the degradation of the pesticides chlorpyrifos (CPF) and imidacloprid (IMD) under natural sunlight. The synthesis of the TiO₂ NPs and their incorporation into the PHEMA matrix was confirmed through various characterization techniques, which demonstrated improved optical properties, including a narrowed bandgap of approximately 2.6 eV, enhanced dispersion, and better charge transfer dynamics compared to pristine TiO₂. The TiO₂/PHEMA NC exhibited remarkable photocatalytic efficiencies, achieving 95.6% degradation of CPF and 97.3% of IMD, significantly surpassing the performance of unmodified TiO₂.
The enhanced photocatalytic activity is attributed to several synergistic effects, including improved light absorption, reduced electron-hole recombination, and increased surface reactivity due to the polymer matrix. The study also emphasizes the importance of operational parameters such as pH, initial pesticide concentration, and catalyst dosage in optimizing degradation efficiency, with alkaline conditions (pH 10) proving most effective. The TiO₂/PHEMA NC demonstrated excellent reusability over five cycles, underscoring its potential as a scalable and sustainable solution for environmental remediation of persistent pesticides. Overall, this work provides a promising avenue for the development of efficient photocatalysts for environmental purification applications.