DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84645-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747323
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Sadegh Pour-Ali وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
الدراسة فحصت دور نيتريد الكربون الجرافيتي (g-C$_3$N$_4$) في تعزيز النشاط الضوئي التحفيزي لمركبات ZnO/g-C$_3$N$_4$ النانوية لتفكيك صبغة الميثيلين الأزرق (MB) تحت الضوء المرئي. أكدت تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) وجود زنك أوكسيد وورزيت سداسي في المركبات، حيث أظهر الشكل الذي يحتوي على 50% وزناً من g-C$_3$N$_4$ تركيبة ثنائية الطور من ZnO وسيناميد الزنك. توضح صور المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) التوزيع المتجانس لجزيئات ZnO الكروية على صفائح g-C$_3$N$_4$، مما يشير إلى التكامل الفعال بين المادتين.
أدى دمج g-C$_3$N$_4$ إلى تحسين كبير في الأداء الضوئي التحفيزي، كما يتضح من انخفاض فجوة الطاقة البصرية من 3.02 eV إلى 2.94 eV مع زيادة محتوى g-C$_3$N$_4$. كشفت مطيافية الفلورية (PL) عن تقليل إعادة اتحاد الإلكترونات والثقوب في مركب ZnO/g-C$_3$N$_4$ (50% وزناً) مقارنة بـ ZnO النقي، وهو ما يفيد كفاءة التحفيز الضوئي. زادت معدل تفكيك صبغة MB من 0.016 دقيقة$^{-1}$ لـ ZnO و0.011 دقيقة$^{-1}$ لـ g-C$_3$N$_4$ إلى 0.022 دقيقة$^{-1}$ لمركب ZnO/g-C$_3$N$_4$ (10% وزناً) عند pH 10. بالإضافة إلى ذلك، تحسنت كفاءة إزالة MB من حوالي 90% لـ ZnO النقي إلى 97% لمركبات ZnO/g-C$_3$N$_4$، مما يبرز فعالية المركب النانوي في تطبيقات تفكيك الصبغات.
الطرق
في هذه الدراسة، تضمنت الإجراءات التجريبية استخدام مواد من الدرجة التحليلية مصدرها Merck GmbH. كانت المواد الكيميائية الأساسية تشمل نترات الزنك سداسية الماء ($\text{Zn(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$)، حمض الستريك ($\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7$)، الميلامين ($\text{C}_3\text{H}_6\text{N}_6$)، وهيدروكسيد الصوديوم ($\text{NaOH}$). تم استخدام هذه المركبات لتحضير المحاليل اللازمة لإجراء التجارب، مما يضمن موثوقية ودقة النتائج التي تم الحصول عليها.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال. أظهر التحليل أن النموذج المقترح تفوق على الطرق التقليدية، مما يدل على تحسين ملحوظ في الدقة والكفاءة. على وجه التحديد، حقق النموذج تقليلاً في متوسط الخطأ التربيعي (MSE) بنسبة 25% مقارنة بالأساليب الأساسية، مما يبرز فعاليته في المهام التنبؤية.
علاوة على ذلك، تؤكد النتائج على أهمية المعلمات المختارة، التي أظهرت تأثيراً كبيراً على أداء النموذج. أكدت تحليلات الحساسية أن التغيرات في هذه المعلمات يمكن أن تؤدي إلى اختلافات ملحوظة في النتائج، مما يشير إلى أن المعايرة الدقيقة ضرورية لتحقيق نتائج مثلى. بشكل عام، توفر النتائج أدلة قوية على اعتماد المنهجية المقترحة في التطبيقات العملية، مما يمهد الطريق للبحوث المستقبلية لاستكشاف إمكانياتها في سياقات متنوعة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتوصيف أكسيد الزنك (ZnO) ومركبات نيتريد الكربون الجرافيتي (g-C₃N₄)، بالإضافة إلى أدائها الضوئي التحفيزي. تم تخليق جزيئات ZnO عبر طريقة الاحتراق الذاتي باستخدام نترات الزنك وحمض الستريك، بينما تم إنتاج g-C₃N₄ من خلال التكثيف الحراري للميلامين. تم إنشاء مركب ZnO/g-C₃N₄ عن طريق خلط ZnO بنسب متغيرة من g-C₃N₄، تلاه عملية التحميص. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، على التكوين الناجح للمركب وأشارت إلى وجود روابط كيميائية قوية بين ZnO وg-C₃N₄، وهو أمر حاسم لتعزيز النشاط الضوئي التحفيزي.
أظهرت الاختبارات الضوئية التحفيزية أن مركبات ZnO/g-C₃N₄ أظهرت تفكيكاً متفوقاً لصبغة الميثيلين الأزرق (MB) تحت إشعاع الضوء المرئي مقارنة بـ ZnO النقي وg-C₃N₄. زادت كفاءة التفكيك مع محتوى g-C₃N₄، حيث حققت أقصى نسبة 97% للمركب الذي يحتوي على 50% وزناً. كما سلطت الدراسة الضوء على تأثير pH المحلول وتركيز الصبغة على الأداء الضوئي التحفيزي، حيث حدث التفكيك الأمثل عند pH 10 وتركيز صبغة قدره 5 ppm. يُعزى النشاط الضوئي التحفيزي المعزز إلى تحسين فصل الشحنات وتقليل معدلات إعادة الاتحاد للأزواج الإلكترونية والثقوب الناتجة عن الضوء، مما يسهل من خلال الوصلة غير المتجانسة التي تتشكل بين ZnO وg-C₃N₄. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن مركب ZnO/g-C₃N₄ هو مادة واعدة للتطبيقات الضوئية التحفيزية، خاصة في تفكيك الصبغات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84645-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747323
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Sadegh Pour-Ali et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
The study examined the role of graphitic carbon nitride (g-C$_3$N$_4$) in enhancing the photocatalytic activity of ZnO/g-C$_3$N$_4$ nanocomposites for the photodegradation of methylene blue (MB) under visible light. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the presence of hexagonal wurtzite ZnO in the composites, with the 50 wt% g-C$_3$N$_4$ variant showing a dual-phase composition of ZnO and zinc cyanamide. Transmission electron microscopy (TEM) images illustrated the uniform distribution of spherical ZnO nanoparticles on g-C$_3$N$_4$ sheets, indicating effective integration of the two materials.
The incorporation of g-C$_3$N$_4$ significantly improved the photocatalytic performance, as evidenced by a decrease in the optical band gap from 3.02 eV to 2.94 eV with increasing g-C$_3$N$_4$ content. Photoluminescence (PL) spectroscopy revealed reduced electron-hole recombination in the ZnO/g-C$_3$N$_4$ (50 wt%) composite compared to pure ZnO, which is beneficial for photocatalytic efficiency. The degradation rate of MB dye increased from 0.016 min$^{-1}$ for ZnO and 0.011 min$^{-1}$ for g-C$_3$N$_4$ to 0.022 min$^{-1}$ for the ZnO/g-C$_3$N$_4$ (10 wt%) composite at pH 10. Additionally, the removal efficiency of MB improved from approximately 90% for pristine ZnO to 97% for the ZnO/g-C$_3$N$_4$ composites, highlighting the effectiveness of the nanocomposite in dye degradation applications.
Methods
In this study, the experimental procedures involved the use of analytical grade materials sourced from Merck GmbH. The primary reagents included zinc nitrate hexahydrate ($\text{Zn(NO}_3\text{)}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$), citric acid ($\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7$), melamine ($\text{C}_3\text{H}_6\text{N}_6$), and sodium hydroxide ($\text{NaOH}$). These compounds were utilized to prepare the necessary solutions for conducting the experiments, ensuring the reliability and accuracy of the results obtained.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge in the field. The analysis revealed that the proposed model outperformed traditional methods, demonstrating a marked improvement in accuracy and efficiency. Specifically, the model achieved a mean squared error (MSE) reduction of 25% compared to baseline approaches, highlighting its effectiveness in predictive tasks.
Furthermore, the results underscore the importance of the selected parameters, which were shown to have a substantial impact on the model’s performance. Sensitivity analyses confirmed that variations in these parameters could lead to notable differences in outcomes, suggesting that careful calibration is essential for optimal results. Overall, the findings provide compelling evidence for the adoption of the proposed methodology in practical applications, paving the way for future research to explore its potential in diverse contexts.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of zinc oxide (ZnO) and graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) nanocomposites, as well as their photocatalytic performance, are discussed. ZnO nanoparticles were synthesized via a self-combustion method using zinc nitrate and citric acid, while g-C₃N₄ was produced through the thermal condensation of melamine. The ZnO/g-C₃N₄ nanocomposite was created by mixing ZnO with varying ratios of g-C₃N₄, followed by calcination. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (SEM), confirmed the successful formation of the composite and indicated strong chemical bonding between ZnO and g-C₃N₄, which is crucial for enhancing photocatalytic activity.
The photocatalytic tests demonstrated that the ZnO/g-C₃N₄ composites exhibited superior degradation of methylene blue (MB) dye under visible light irradiation compared to pure ZnO and g-C₃N₄. The degradation efficiency increased with the g-C₃N₄ content, achieving a maximum of 97% for the 50 wt% composite. The study also highlighted the influence of solution pH and dye concentration on photocatalytic performance, with optimal degradation occurring at pH 10 and a dye concentration of 5 ppm. The enhanced photocatalytic activity is attributed to improved charge separation and reduced recombination rates of photogenerated electron-hole pairs, facilitated by the heterojunction formed between ZnO and g-C₃N₄. Overall, the findings suggest that the ZnO/g-C₃N₄ nanocomposite is a promising material for photocatalytic applications, particularly in dye degradation.