DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33926-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41484265
تاريخ النشر: 2026-01-03
المؤلف: Farzaneh Nejadkhorasani وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع مركب نانو جديد CoAl$_2$O$_4$@ZnO باستخدام طريقة الجل الأخضر مع صمغ Amygdalus scoparia Spach كعامل مثبت. أكدت تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، وتحليل بروناور-إيميت-تيلر (BET)، وطيف الانعكاس المنتشر للأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-Vis-DRS)، والمجهر الإلكتروني الماسح (FESEM)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وطيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) على التكوين الناجح للمركب النانوي، الذي أظهر مساحة سطح محددة تبلغ حوالي 40 م²/غ وطاقه فجوة تبلغ حوالي 3 eV.
تم تقييم الأداء الضوئي التحفيزي لمركب CoAl$_2$O$_4$@ZnO في تحلل التتراسيكلين (TC) تحت إشعاع الضوء المرئي (80 واط مصباح فلوري، λ > 400 نانومتر)، محققًا كفاءة تحلل ملحوظة تبلغ 92.93% خلال 45 دقيقة. أشارت الدراسة إلى أن الجذور الهيدروكسيلية (•OH) لعبت دورًا حاسمًا في العملية الضوئية التحفيزية، كما يتضح من انخفاض النشاط في وجود الإيثانول كعامل مسح. بالإضافة إلى ذلك، أظهر المحفز استقرارًا عاليًا وقابلية لإعادة الاستخدام على مدى خمس دورات مع فقدان نشاط ضئيل، مما يبرز إمكانيته كمحفز ضوئي فعال ومستدام لإزالة الملوثات المضادة للبكتيريا من مياه الصرف الصحي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لتعزيز الجهود الدولية لمعالجة تنوع الملوثات المائية المتزايد، وخاصة بقايا المواد الكيميائية النشطة حيويًا من المنتجات الطبية والنظافة. تشكل هذه الملوثات مخاطر بيئية وصحية كبيرة، حيث يمكن أن تؤثر سلبًا على البشر وغيرها من الكائنات حتى عند تركيزات منخفضة. غالبًا ما تكون طرق معالجة مياه الصرف التقليدية غير فعالة في إزالة هذه الملوثات، مما يؤدي إلى انتشارها الواسع في النظم البيئية الطبيعية.
استجابةً لهذا التحدي، اكتسبت تقنيات الأكسدة الحديثة، وخاصة التحفيز الضوئي القائم على أشباه الموصلات، اهتمامًا لفعاليتها في تحلل هذه الملوثات. تُلاحظ هذه التقنيات لمعدلات التحلل السريعة، والجدوى الاقتصادية، والقدرة على تحلل المواد الضارة، مما يجعلها حلاً واعدًا لتحسين إدارة الصحة والسلامة المتعلقة بجودة المياه.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون صمغ Amygdalus scoparia spach، المستخرج من متجر أعشاب محلي في إيلام، إيران، مع كون موقع الجمع الأصلي هو جبال زاغروس. لم تتطلب جمع هذه المادة أذونات محددة. بالإضافة إلى ذلك، تضمنت الدراسة مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية، بما في ذلك نترات الألمنيوم غير المائية ($\text{Al(NO}_3\text{)}_3 \cdot 9\text{H}_2\text{O}$)، ونترات الكوبالت (II) سداسية الماء ($\text{Co(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$)، ونترات الزنك سداسية الماء ($\text{Zn(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$)، جميعها تم الحصول عليها من شركة ميرك. كانت هذه المواد ضرورية للإجراءات التجريبية الموضحة في البحث.
مناقشة
تؤكد المناقشة على الحاجة الملحة لطرق تخليق صديقة للبيئة للنانوبارتيكلز والمواد النانوية، بما يتماشى مع مبادئ الكيمياء الخضراء للتخفيف من المواد الضارة. تركز الدراسة على أشباه الموصلات ذات الفجوات الواسعة، مثل $SnO_2$، و$ZnO$، و$TiO_2$، التي، على الرغم من استقرارها وقدراتها المؤكسدة تحت الضوء فوق البنفسجي، تظهر كفاءة ضوئية تحفيزية محدودة بسبب عدم قدرتها على امتصاص الضوء المرئي بشكل فعال. لمعالجة ذلك، استكشفت الأبحاث الحديثة تعديل هذه المواد من خلال دمجها مع أشباه الموصلات ذات الفجوات الضيقة، وخاصة السبينلات مثل $CoAl_2O_4$، التي تقدم خصائص بصرية ومغناطيسية فريدة وتعمل كدعامات فعالة للمحفزات.
تقدم الأبحاث تخليق وتوصيف مركب نانو جديد $CoAl_2O_4@ZnO$، الذي تم تقييمه لتحلله الضوئي للتتراسيكلين هيدروكلوريد (TC) تحت الضوء المرئي. تشير النتائج إلى أن المركب النانوي حقق كفاءة تحلل ملحوظة تبلغ 92.93% خلال 45 دقيقة، متفوقًا بشكل كبير على مكوناته الفردية. كما تحدد الدراسة الجذور الهيدروكسيلية ($•OH$) كالأصناف التفاعلية الرئيسية المسؤولة عن تحلل TC، مدعومةً باختبارات المسح وتحليل LC-MS الذي أوضح مسارات التحلل. علاوة على ذلك، أظهر المركب النانوي $CoAl_2O_4@ZnO$ استقرارًا ممتازًا وقابلية لإعادة الاستخدام، مع الحفاظ على أدائه الضوئي التحفيزي عبر دورات متعددة، مما يبرز إمكانيته كحل مستدام لمعالجة مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33926-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41484265
Publication Date: 2026-01-03
Author(s): Farzaneh Nejadkhorasani et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
In this study, a novel CoAl$_2$O$_4$@ZnO nanocomposite (NC) was synthesized using a green sol-gel method with Amygdalus scoparia Spach gum as a stabilizing agent. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy (UV-Vis-DRS), field emission scanning electron microscopy (FESEM), transmission electron microscopy (TEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) confirmed the successful formation of the nanocomposite, which exhibited a specific surface area of approximately 40 m²/g and a band gap energy of around 3 eV.
The photocatalytic performance of the CoAl$_2$O$_4$@ZnO NC was evaluated for the degradation of tetracycline (TC) under visible light irradiation (80W fluorescent lamp, λ > 400 nm), achieving a remarkable 92.93% degradation efficiency within 45 minutes. The study indicated that hydroxyl radicals (•OH) played a crucial role in the photocatalytic process, as evidenced by reduced activity in the presence of ethanol as a scavenger. Additionally, the catalyst demonstrated high stability and reusability over five cycles with minimal loss of activity, underscoring its potential as an effective and sustainable photocatalyst for the removal of antibiotic pollutants from wastewater.
Introduction
The introduction highlights the urgent need for enhanced international efforts to address the growing variety of water pollutants, particularly bioactive chemical residues from medical and hygiene products. These pollutants pose significant environmental and health risks, as they can adversely affect humans and other organisms even at low concentrations. Traditional wastewater treatment methods are often ineffective in removing these contaminants, leading to their widespread presence in natural ecosystems.
In response to this challenge, modern oxidation technologies, especially semiconductor-based photocatalysis, have gained attention for their effectiveness in degrading these pollutants. These technologies are noted for their rapid degradation rates, cost-effectiveness, and ability to mineralize harmful substances, making them a promising solution for improving health and safety management related to water quality.
Methods
In this study, the researchers utilized Amygdalus scoparia spach gum, sourced from a local herbal store in Ilam, Iran, with the original collection site being the Zagros Mountains. The collection of this material did not require specific permissions. Additionally, the study incorporated various chemical reagents, including aluminium nitrate nonahydrate ($\text{Al(NO}_3\text{)}_3 \cdot 9\text{H}_2\text{O}$), cobalt(II) nitrate hexahydrate ($\text{Co(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$), and zinc nitrate hexahydrate ($\text{Zn(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$), all procured from Merck Company. These materials were essential for the experimental procedures outlined in the research.
Discussion
The discussion emphasizes the urgent need for environmentally friendly synthesis methods for nanoparticles and nanomaterials, aligning with principles of green chemistry to mitigate harmful substances. The study focuses on semiconductors with wide bandgaps, such as $SnO_2$, $ZnO$, and $TiO_2$, which, despite their stability and oxidizing capabilities under UV light, exhibit limited photocatalytic efficiency due to their inability to absorb visible light effectively. To address this, recent research has explored the modification of these materials by combining them with narrow bandgap semiconductors, particularly spinels like $CoAl_2O_4$, which offer unique optical and magnetic properties and serve as effective catalyst supports.
The research presents the synthesis and characterization of a novel $CoAl_2O_4@ZnO$ nanocomposite, which was evaluated for its photocatalytic degradation of tetracycline hydrochloride (TC) under visible light. The findings indicate that the nanocomposite achieved a remarkable degradation efficiency of 92.93% within 45 minutes, significantly outperforming its individual components. The study also identifies hydroxyl radicals ($•OH$) as the primary reactive species responsible for TC degradation, supported by scavenger tests and LC-MS analysis that elucidated the degradation pathways. Furthermore, the $CoAl_2O_4@ZnO$ nanocomposite demonstrated excellent stability and reusability, maintaining its photocatalytic performance across multiple cycles, thus highlighting its potential as a sustainable solution for wastewater treatment.