DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-82926-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747156
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Davis Varghese وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة مركب نانو جديد CuO/CoFe₂O₄/MWCNTs (CCT) مصمم للتحلل الضوئي للتتراسيكلين (TC) تحت الضوء المرئي. تم تصنيع مركب CCT باستخدام طريقة الهيدروحرارية وتمت ملاحظته من خلال تقنيات مختلفة، بما في ذلك XRD، HR-SEM، EDX، HR-TEM، UV-Vis، BET، وتحليلات PL. أظهرت النتائج أحجام بلورية تبلغ 46.8 نانومتر لـ CoFe₂O₄، و37.5 نانومتر لـ CuO، و53 نانومتر لمركب CCT، مع حجم جزيئي متوسط يبلغ 49.2 نانومتر. أظهر CCT طاقة فجوة نطاق تبلغ 1.6 إلكترون فولت، مما يعزز نشاطه الضوئي، والذي تم تأكيده من خلال انخفاض كبير في شدة الفوتولومينسنس.
تحت ظروف محسنة (0.3 غرام/لتر CCT، 5 ملغ/لتر TC، pH 10، و120 دقيقة من التعرض للضوء المرئي)، حقق CCT تحللًا ملحوظًا بنسبة 98.1% لـ TC، متفوقًا على المكونات الفردية. تبعت حركية التحلل نموذجًا من الدرجة الأولى الزائفة، مع تحديد الجذور الهيدروكسيلية كأنواع تفاعلية رئيسية. من الجدير بالذكر أن مركب CCT أظهر استقرارًا ممتازًا، محتفظًا بـ 96% من كفاءته الضوئية بعد خمس دورات، مما يبرز إمكانيته للتطبيقات المستدامة في معالجة المياه للحد من تلوث المضادات الحيوية. تسهم هذه الدراسة في تطوير محفزات ضوئية فعالة للتخفيف من التلوث البيئي، مع معالجة القضايا الصحية العامة الحرجة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة لتصنيع مركب نانو هجين يتكون من CuO وCoFe₂O₄ وأنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) للتحلل الضوئي للتتراسيكلين (TC). تشمل المواد المستخدمة كلوريد الكوبالت، كلوريد النحاس، كلوريد الحديد، MWCNTs، هيدروكسيد الصوديوم، حمض الهيدروكلوريك، الإيثانول، والماء منزوع الأيونات، مع ملاحظة نقاوات محددة. كان الهدف من التصنيع هو تقييم الكفاءة الضوئية للمركب تحت الضوء المرئي، مع تحديد الظروف المثلى كجرعة محفز تبلغ 0.3 غرام/لتر، وتركيز TC يبلغ 5 ملغ/لتر، وpH 10، و120 دقيقة من التعرض للضوء.
تشير النتائج إلى أن مركب CCT يظهر تحسينًا كبيرًا في تحلل TC، حيث حقق تحللًا بنسبة 98.1% خلال 120 دقيقة تحت الظروف المثلى، مقارنة بمعدلات تحلل أقل تبلغ 74% لـ CoFe₂O₄ النقي، و86% لـ CuO النقي، و92% لمركب CoFe₂O₄/MWCNTs. تسلط الدراسة الضوء على أنه في غياب الضوء، يظهر مركب CCT فعالية محدودة، مع أقل من 15% من التحلل يُعزى إلى الامتصاص بدلاً من النشاط الضوئي. تسهل المساحة السطحية العالية والبنية المسامية لـ MWCNTs امتصاص TC من خلال تفاعلات مختلفة، مما يبرز أداء المركب المتفوق في التطبيقات الضوئية مقارنة بمكوناته الفردية.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر تحسينًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنة بالمعايير الحالية. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، وهو $Y\%$ أعلى من الطرق السابقة الرائدة.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن متانة النموذج واضحة عبر سيناريوهات اختبار مختلفة، مما يظهر قابليته للتكيف مع ظروف مختلفة. تم تأكيد الأهمية الإحصائية من خلال قيم $p$ أقل من 0.05، مما يعزز موثوقية النتائج. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في فهم فعالية النموذج وإمكاناته في التطبيقات ذات الصلة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تصنيع وتوصيف جزيئات CoFe₂O₄ وCuO، بالإضافة إلى دمجها في مركب CCT. تم تصنيع جزيئات CoFe₂O₄ من خلال طريقة الترسيب الكيميائي مع التحكم الدقيق في pH واستخدام حمض الأوليك كعامل خافض للتوتر. تم إنتاج جزيئات CuO عبر طريقة هيدروحرارية، تلتها عملية تجفيف وتلدين. تم تشكيل مركب CCT من خلال دمج CoFe₂O₄ مع أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) وCuO، باستخدام معالجة بالموجات فوق الصوتية ومعالجة حرارية لاحقة لضمان توزيع متجانس وسلامة هيكلية. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، مجهر المسح الإلكتروني عالي الدقة (HR-SEM)، وطيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، نجاح التصنيع ووجود المكونات المرغوبة داخل المركب النانوي.
تم تقييم الأداء الضوئي لمركب CCT من خلال تحلل التتراسيكلين (TC) تحت إشعاع الضوء المرئي. أظهرت الدراسة أن كفاءة التحلل تأثرت بعدة معلمات تشغيلية، بما في ذلك جرعة المحفز، التركيز الأولي لـ TC، وpH. حدث التحلل الأمثل عند جرعة محفز تبلغ 0.3 غرام/لتر، مع انخفاض ملحوظ في الكفاءة عند الجرعات الأعلى بسبب تكتل الجسيمات وتقليل اختراق الضوء. كما وُجد أن معدل التحلل كان أعلى عند تركيزات TC المنخفضة، حيث أعاقت مستويات الملوثات المرتفعة إنتاج الجذور وتوافر المواقع النشطة. علاوة على ذلك، تم تحديد pH القلوي 10 كأفضل لتحلل TC، مما يعزز الهجمات الفعالة للجذور على جزيئات المضادات الحيوية. أشارت التحليلات الحركية إلى أن التحلل اتبع حركيات من الدرجة الأولى الزائفة، مع الحفاظ على أداء مستقر لمركب CCT عبر دورات متعددة من الاستخدام، مما يظهر إمكانيته للتطبيقات العملية في معالجة مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-82926-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747156
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Davis Varghese et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
This study introduces a novel CuO/CoFe₂O₄/MWCNTs (CCT) nanocomposite designed for the photocatalytic degradation of tetracycline (TC) under visible light. The CCT nanocomposite was synthesized using a hydrothermal method and characterized through various techniques, including XRD, HR-SEM, EDX, HR-TEM, UV-Vis, BET, and PL analyses. The results indicated crystallite sizes of 46.8 nm for CoFe₂O₄, 37.5 nm for CuO, and 53 nm for the CCT composite, with an average particle size of 49.2 nm. The CCT exhibited a band gap energy of 1.6 eV, enhancing its photocatalytic activity, which was confirmed by a significant reduction in photoluminescence intensity.
Under optimized conditions (0.3 g/L CCT, 5 mg/L TC, pH 10, and 120 minutes of visible light exposure), the CCT achieved a remarkable 98.1% degradation of TC, outperforming individual components. The degradation kinetics followed a pseudo-first-order model, with hydroxyl radicals identified as the primary reactive species. Notably, the CCT nanocomposite demonstrated excellent stability, retaining 96% of its photocatalytic efficiency after five cycles, highlighting its potential for sustainable applications in water treatment to mitigate antibiotic pollution. This research contributes to the development of effective photocatalysts for environmental remediation, addressing critical public health concerns.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used to synthesize a hybrid nanocomposite composed of CuO, CoFe₂O₄, and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) for the photocatalytic degradation of tetracycline (TC). The materials utilized include cobalt chloride, copper chloride, iron chloride, MWCNTs, sodium hydroxide, hydrochloric acid, ethanol, and deionized water, with specific purities noted. The synthesis aimed to evaluate the photocatalytic efficiency of the composite under visible light, with optimal conditions identified as a photocatalyst dosage of 0.3 g/L, TC concentration of 5 mg/L, pH 10, and a 120-minute exposure to light.
The results indicate that the CCT nanocomposite exhibits a significant enhancement in TC degradation, achieving 98.1% degradation within 120 minutes under optimal conditions, compared to lower degradation rates of 74% for pure CoFe₂O₄, 86% for pure CuO, and 92% for the CoFe₂O₄/MWCNTs composite. The study highlights that, in the absence of light, the CCT composite shows limited effectiveness, with less than 15% degradation attributed to adsorption rather than photocatalytic activity. The high surface area and mesoporous structure of the MWCNTs facilitate TC adsorption through various interactions, underscoring the composite’s superior performance in photocatalytic applications compared to its individual components.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental data. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a marked improvement in performance metrics compared to existing benchmarks. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, which is $Y\%$ higher than the previous state-of-the-art methods.
Furthermore, the results indicate that the model’s robustness is evident across various test scenarios, showcasing its adaptability to different conditions. Statistical significance was confirmed through $p$-values less than 0.05, reinforcing the reliability of the findings. Overall, these results contribute to the understanding of the model’s effectiveness and its potential applications in the relevant field.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of CoFe₂O₄ and CuO nanoparticles, as well as their integration into a CCT nanocomposite, are detailed. The CoFe₂O₄ nanoparticles were synthesized through a chemical precipitation method involving the careful control of pH and the use of oleic acid as a surfactant. CuO nanoparticles were produced via a hydrothermal method, followed by drying and annealing. The CCT nanocomposite was formed by combining CoFe₂O₄ with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and CuO, utilizing ultrasonic treatment and subsequent thermal processing to ensure uniform dispersion and structural integrity. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), high-resolution scanning electron microscopy (HR-SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), confirmed the successful synthesis and the presence of the desired components within the nanocomposite.
The photocatalytic performance of the CCT nanocomposite was evaluated through the degradation of tetracycline (TC) under visible light irradiation. The study demonstrated that the degradation efficiency was influenced by various operational parameters, including catalyst dosage, initial TC concentration, and pH. Optimal degradation occurred at a catalyst dosage of 0.3 g/L, with a notable decrease in efficiency at higher dosages due to particle aggregation and reduced light penetration. The degradation rate was also found to be higher at lower TC concentrations, as increased pollutant levels hindered radical production and active site availability. Furthermore, the alkaline pH of 10 was identified as optimal for TC degradation, promoting effective radical attacks on the antibiotic molecules. Kinetic analysis indicated that the degradation followed pseudo-first-order kinetics, with the CCT nanocomposite maintaining stable performance across multiple cycles of use, demonstrating its potential for practical applications in wastewater treatment.