DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-03286-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40473690
تاريخ النشر: 2025-06-05
المؤلف: Xiang Bi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث التخليق الناجح في الموقع لنيتريد الكربون الجرافيتي (g-C₃N₄) مع فراغات النيتروجين ومجموعات السيانو باستخدام طريقة وعاء واحد مع اليوريا كمواد سابقة. أكدت تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، وتحليل بروناوير-إيميت-تيلر (BET)، وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وطيف الانعكاس المنتشر للأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-DRS)، والضوء المنبعث (PL)، وطيف الإلكترون الضوئي (XPS)، والرنين المغناطيسي الإلكتروني (EPR) إدخال فراغات النيتروجين. ومن الجدير بالذكر أن مساحة سطح BET زادت من 27.5 إلى 35.7 م²/غ، مما يعزز مواقع التفاعل في المادة. أظهر Vₙ-g-C₃N₄ المحضر نشاطًا ضوئيًا محسنًا، حيث حقق معدل تحلل بنسبة 81% من رودامين B (RhB)، وهو أعلى بمقدار 1.4 مرة من g-C₃N₄ النقي، وزيادة بمقدار 1.6 في معدل إزالة الأسيتامينوفين (ACT) تحت الضوء المرئي.
تخلص الدراسة إلى أن الكفاءة الضوئية المحسنة لـ Vₙ-g-C₃N₄ تعود أساسًا إلى زيادة مساحة سطح BET ووجود فراغات النيتروجين ومجموعات السيانو، مما يسهل امتصاص الضوء بشكل أوسع وتحسين نقل الإلكترونات. أشارت تجارب التقاط الأنواع النشطة إلى أن المساهمين الرئيسيين في عملية التحلل كانوا الثقوب (h⁺) والأكسجين الأحادي (¹O₂). يوفر هذا العمل رؤى قيمة لتطوير محفزات ضوئية مستقرة وفعالة تهدف إلى إزالة الملوثات العضوية الخطرة من مياه الصرف الصحي.
النتائج
استُنتجت نتائج الدراسة حول g-C₃N₄ و VN-g-C₃N₄ من تقنيات التوصيف المختلفة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، وقياسات امتصاص-إزالة النيتروجين، وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM). أظهر تحليل XRD أن VN-g-C₃N₄ احتفظ بالق peaks المميزة لـ g-C₃N₄، على الرغم من أن القمم كانت أوسع وأضعف، مما يشير إلى انخفاض في النظام الهيكلي والمسافة بين الطبقات من 0.328 نانومتر إلى 0.322 نانومتر. زادت مساحة سطح BET من 27.5 م²/غ لـ g-C₃N₄ إلى 35.7 م²/غ لـ VN-g-C₃N₄، وذلك بسبب عيوب فراغات النيتروجين التي تعزز المواقع النشطة للتفاعلات الضوئية. أظهرت صور TEM شكلًا مساميًا في كلا العينتين، حيث أظهر VN-g-C₃N₄ صفائح نانوية متشابكة، مما يدل على فراغات النيتروجين.
تم تقييم الأداء الضوئي باستخدام تحلل رودامين B (RhB)، حيث أظهر VN-g-C₃N₄ تحسنًا كبيرًا، محققًا إزالة بنسبة 81% في 120 دقيقة مقارنةً بـ 58% لـ g-C₃N₄. زادت ثابت المعدل لتحلل RhB من 0.0072 دقيقة⁻¹ لـ g-C₃N₄ إلى 0.0132 دقيقة⁻¹ لـ VN-g-C₃N₄، مما يبرز التأثيرات المفيدة لفراغات النيتروجين ومجموعات السيانو في تعزيز فصل الشحنات والنشاط الضوئي. أشارت الدراسات الآلية إلى أن كل من الثقوب (h⁺) والأكسجين الأحادي (¹O₂) لعبت أدوارًا حاسمة في عملية التحلل، مع وجود فراغات النيتروجين التي تسهل توليد الأنواع النشطة من الأكسجين. بشكل عام، أدت إضافة فراغات النيتروجين ومجموعات السيانو في VN-g-C₃N₄ إلى تحسين كفاءته الضوئية بشكل كبير، مما يجعله مرشحًا واعدًا للتطبيقات البيئية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق g-C$_3$N$_4$ الكتلي من خلال البلمرة الحرارية لليوريا، مع اختلافات في جو التخليق أدت إلى g-C$_3$N$_4$ الغني بفراغات النيتروجين (V$_N$-g-C$_3$N$_4$). تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، وتحليل مساحة سطح بروناوير-إيميت-تيلر (BET)، وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM)، لتحليل الخصائص الهيكلية والشكلية للمواد المحضرة. تم تقييم الأداء الضوئي لكل من g-C$_3$N$_4$ و V$_N$-g-C$_3$N$_4$ من خلال تحلل رودامين B (RhB) والأسيتامينوفين (ACT) تحت ضوء LED، مما كشف عن تحسينات كبيرة في معدلات التحلل – 1.4 مرة لـ RhB و 1.6 مرة لـ ACT – تعزى إلى زيادة مساحة السطح ووجود فراغات النيتروجين ومجموعات السيانو.
استقصت الدراسة أيضًا الأنواع النشطة المشاركة في العملية الضوئية باستخدام الرنين المغناطيسي الإلكتروني (EPR) وتجارب التقاط، محددة الثقوب (h$^+$) والأكسجين الأحادي ($^1$O$_2$) كأهم الأنواع التفاعلية. تؤكد هذه النتائج على إمكانات V$_N$-g-C$_3$N$_4$ كمحفز ضوئي فعال لتحلل الملوثات العضوية السامة في البيئات المائية، مما يوفر مرجعًا قيمًا لتصميم المحفزات المستقبلية التي تهدف إلى الترميم البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-03286-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40473690
Publication Date: 2025-06-05
Author(s): Xiang Bi et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
The research presents the successful in-situ synthesis of graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) with nitrogen vacancies and cyano groups using a one-pot method with urea as the precursor. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, transmission electron microscopy (TEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy (UV-DRS), photoluminescence (PL), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and electron paramagnetic resonance (EPR) confirmed the introduction of nitrogen vacancies. Notably, the BET surface area increased from 27.5 to 35.7 m²/g, enhancing the material’s reactive sites. The synthesized Vₙ-g-C₃N₄ exhibited improved photocatalytic activity, achieving an 81% degradation rate of Rhodamine B (RhB), which is 1.4 times higher than that of pure g-C₃N₄, and a 1.6-fold increase in the removal rate of acetaminophen (ACT) under visible light.
The study concludes that the enhanced photocatalytic efficiency of Vₙ-g-C₃N₄ is primarily due to the increased BET surface area and the presence of nitrogen vacancies and cyano groups, which facilitate broader light absorption and improved electron transfer. Active species capture experiments indicated that the main contributors to the degradation process were the holes (h⁺) and singlet oxygen (¹O₂). This work provides valuable insights for the development of stable and efficient photocatalysts aimed at the removal of hazardous organic pollutants from wastewater.
Results
The results of the study on g-C₃N₄ and VN-g-C₃N₄ were derived from various characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), nitrogen adsorption-desorption measurements, and transmission electron microscopy (TEM). XRD analysis revealed that VN-g-C₃N₄ retained the characteristic peaks of g-C₃N₄, albeit with broadened and weakened peaks, indicating a decrease in structural order and interlayer stacking distance from 0.328 nm to 0.322 nm. The BET surface area increased from 27.5 m²/g for g-C₃N₄ to 35.7 m²/g for VN-g-C₃N₄, attributed to nitrogen-vacancy defects that enhance active sites for photocatalytic reactions. TEM images showed a porous morphology in both samples, with VN-g-C₃N₄ exhibiting intertwined nanosheets, indicative of nitrogen vacancies.
Photocatalytic performance was evaluated using Rhodamine B (RhB) degradation, where VN-g-C₃N₄ demonstrated a significant improvement, achieving 81% removal in 120 minutes compared to 58% for g-C₃N₄. The rate constant for RhB degradation increased from 0.0072 min⁻¹ for g-C₃N₄ to 0.0132 min⁻¹ for VN-g-C₃N₄, highlighting the beneficial effects of nitrogen vacancies and cyano groups in enhancing charge separation and photocatalytic activity. Mechanistic studies indicated that both holes (h⁺) and singlet oxygen (¹O₂) played crucial roles in the degradation process, with the presence of nitrogen vacancies facilitating the generation of reactive oxygen species. Overall, the introduction of nitrogen vacancies and cyano groups in VN-g-C₃N₄ significantly improved its photocatalytic efficiency, making it a promising candidate for environmental applications.
Discussion
In this study, bulk g-C$_3$N$_4$ was synthesized through thermal polymerization of urea, with variations in the synthesis atmosphere yielding g-C$_3$N$_4$ enriched with nitrogen vacancies (V$_N$-g-C$_3$N$_4$). Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, and transmission electron microscopy (TEM), were employed to analyze the structural and morphological properties of the synthesized materials. The photocatalytic performance of both g-C$_3$N$_4$ and V$_N$-g-C$_3$N$_4$ was evaluated through the degradation of rhodamine B (RhB) and acetaminophen (ACT) under LED light, revealing significant enhancements in degradation rates—1.4 times for RhB and 1.6 times for ACT—attributed to increased surface area and the presence of nitrogen vacancies and cyano groups.
The study further investigated the active species involved in the photocatalytic process using electron paramagnetic resonance (EPR) and trapping experiments, identifying holes (h$^+$) and singlet oxygen ($^1$O$_2$) as the primary reactive species. These findings underscore the potential of V$_N$-g-C$_3$N$_4$ as an effective photocatalyst for the degradation of toxic organic pollutants in aqueous environments, providing a valuable reference for future catalyst design aimed at environmental remediation.