DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39799-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41667828
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: H. Babaie وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث هيكل هتروستركتوري متسلسل جديد يتكون من CdS و g-C₃N₄ وإطار عضوي تساهمي قائم على الترازاين (COF) يهدف إلى تعزيز الاختزال الضوئي لـ Cr(VI) السام. تواجه الأنظمة الضوئية التقليدية تحديات بسبب عدم كفاءة فصل الشحنات وإعادة تركيب الحاملات غير الانتقائية. يقوم هذا البحث بهندسة إعادة تركيب الشحنات داخل الهيكل الهتروستركتوري بشكل استراتيجي، مستخدمًا COF كوسيط إلكتروني لإعادة تركيب الحاملات ذات الطاقة المنخفضة بشكل تفضيلي مع الاحتفاظ بالإلكترونات عالية الطاقة من أجل اختزال Cr(VI) بشكل فعال. يظهر الهيكل الهتروستركتوري المحسن كفاءة إزالة Cr(VI) ملحوظة تبلغ حوالي 92% خلال 90 دقيقة تحت الضوء المرئي، متفوقًا بشكل كبير على النظائر الثنائية.
تؤكد النتائج على أهمية التفاعلات الإلكترونية السطحية في التحكم في السلوك الضوئي، بدلاً من مجرد الامتصاص الفيزيائي. يعزز مسار نقل الشحنات من نوع S المتسلسل، الذي يسهل من خلال الربط السطحي القوي والمحاذاة المواتية بين المكونات، استخدام الضوء المرئي ويعزز نقل الإلكترونات بكفاءة إلى أنواع Cr(VI)، خاصة تحت ظروف حمضية (pH 3). ومع ذلك، يشير البحث إلى تراجع تدريجي في النشاط الضوئي على مدى دورات متعددة، يُعزى إلى التعديلات السطحية والاحتمالية للتآكل الضوئي. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تحسين الاستقرار على المدى الطويل للهيكل الهتروستركتوري واستكشاف بدائل منخفضة السمية لتعزيز السلامة البيئية في التطبيقات العملية.
الطرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجارب والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك مصادرها وطرق تحضيرها، بالإضافة إلى إعداد التجربة. كما يصف القسم المنهجيات المطبقة لجمع البيانات وتحليلها، مما يضمن إمكانية تكرار النتائج وموثوقيتها.
تحدد التقنيات والأدوات الرئيسية المستخدمة في البحث، جنبًا إلى جنب مع أي معلمات أو ظروف ذات صلة تم التحكم فيها خلال التجارب. كما يتم ذكر الطرق الإحصائية لتحليل البيانات، مما يوفر رؤى حول كيفية تفسير النتائج والتحقق منها. بشكل عام، يعمل هذا القسم كدليل شامل للإطار التجريبي الذي يدعم استنتاجات الدراسة.
النتائج
توفر نتائج الدراسة توصيفًا شاملاً للهياكل النانوية المخلقة من CdS/C₃N₄/COF من خلال تقنيات تحليلية متنوعة. أكدت حيود الأشعة السينية بالمسحوق (PXRD) على سلامة الهيكل للمكونات، كاشفة عن قمم مميزة للميليم، g-C₃N₄، وجزيئات CdS النانوية، مما يدل على التكامل الناجح لهذه المواد. بشكل ملحوظ، تغيرت شدة وموقع قمم الحيود مع اختلاف محتوى g-C₃N₄، مما يشير إلى تغييرات في المسافة بين الطبقات وكثافة التكديس. أظهرت صور المجهر الإلكتروني الماسح (FESEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM) أشكالًا مميزة، بما في ذلك هياكل شبيهة بالعصي لـ COF وكريات شبيهة بالقرنبيط لـ CdS، مع توزيع موحد للمكونات في المركب الثلاثي، مما يفيد في هجرة الشحنات والأداء الضوئي.
أشارت التحليلات الحرارية إلى تعزيز الاستقرار الحراري لمركب CdS/C₃N₄/COF مقارنةً بالهيكل الثنائي C₃N₄/COF، والذي يُعزى إلى تفاعلات أقوى بين المكونات. كشفت التوصيفات البصرية عن انزياح أحمر كبير في عتبة امتصاص الضوء عند دمج CdS، مما يوسع طيف الامتصاص ويشير إلى تحسين الإمكانية لتوليد الإلكترونات الناتجة عن الضوء. أظهرت مطيافية الفلورية الضوئية انخفاضًا ملحوظًا في المركب الثلاثي، مما يشير إلى تعطيل غير إشعاعي فعال للحالات المثارة، وهو ما يعد ميزة لتطبيقات التحفيز الضوئي. أكدت قياسات موت-شوتكي على طبيعة المواد من النوع n وأقامت محاذاة حزام متداخلة، مما يسهل نقل الشحنات السطحية. أشارت إيزوثرمات امتصاص-إزالة النيتروجين إلى ميزات مسامية متوسطة وانخفاض في المساحة السطحية مع إدخال CdS، مما يبرز التغييرات الهيكلية داخل المواد المركبة. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على النجاح في تخليق وتطبيقات محتملة لمركب CdS/C₃N₄/COF في العمليات الضوئية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تخليق وأداء التحفيز الضوئي لمركب ثلاثي CdS/C$_3$N$_4$/COF من أجل اختزال Cr(VI). تم تخليق المركب باستخدام طريقة صلبة مدعومة بالموجات فوق الصوتية على مراحل، حيث تم تحضير رقائق g-C$_3$N$_4$ من خلال حرق اليوريا، تلاها تشكيل COF عبر عملية حل حراري. تم تخليق جزيئات CdS باستخدام نهج حل حراري ثم تم دمجها مع COF و g-C$_3$N$_4$ لإنشاء المركب النهائي. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك TEM و FESEM و XRD و FT-IR، على التكوين الناجح وسلامة الهيكل للمركب النانوي.
تم تقييم النشاط الضوئي تحت ظروف متنوعة، مما كشف أن نسبة الوزن المثلى لـ CdS:C$_3$N$_4$:COF كانت 2:4:1، مما زاد من كفاءة إزالة Cr(VI) مع تقليل الامتصاص غير المنتج. أبرزت الدراسة أهمية pH وجرعة المحفز وتركيز Cr(VI) الأولي على الأداء الضوئي. بشكل ملحوظ، تم تحديد pH 3.0 كأمثل، مما يوازن بين الامتصاص ونقل الإلكترونات. أظهر المركب النانوي قابلية إعادة تدوير جيدة، حيث حافظ على نشاط كبير على مدى دورات متعددة، على الرغم من أنه تم ملاحظة تراجع تدريجي بسبب التعديلات السطحية والاحتمالية للتآكل الضوئي لـ CdS. أشارت الدراسات الحركية إلى أن عملية الاختزال الضوئي اتبعت حركية من الدرجة الأولى الزائفة، مما يوفر رؤى حول ديناميات التفاعل. بشكل عام، أظهر المركب النانوي الثلاثي كفاءة ضوئية محسنة، يُعزى ذلك إلى التأثيرات التآزرية لمكوناته في تسهيل فصل الشحنات وتعزيز امتصاص الضوء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39799-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41667828
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): H. Babaie et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
The research presents a novel cascade heterostructure composed of CdS, g-C₃N₄, and a triazine-based covalent organic framework (COF) aimed at enhancing the photocatalytic reduction of toxic Cr(VI). Traditional photocatalytic systems face challenges due to inefficient charge separation and nonselective carrier recombination. This study strategically engineers charge recombination within the heterostructure, utilizing the COF as an electronic mediator to preferentially recombine low-energy charge carriers while retaining high-energy electrons for effective Cr(VI) reduction. The optimized heterostructure demonstrates a remarkable Cr(VI) removal efficiency of approximately 92% within 90 minutes under visible light, significantly outperforming binary counterparts.
The findings underscore the importance of interfacial electronic interactions in governing photocatalytic behavior, as opposed to mere physical adsorption. The cascade S-scheme charge-transfer pathway, facilitated by strong interfacial coupling and favorable band alignment among the components, enhances visible-light utilization and promotes efficient electron transfer to Cr(VI) species, particularly under acidic conditions (pH 3). However, the study notes a gradual decline in photocatalytic activity over multiple cycles, attributed to surface modifications and potential photocorrosion. Future research directions include improving the long-term stability of the heterostructure and exploring low-toxicity alternatives to enhance environmental safety in practical applications.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including their sources and preparation methods, as well as the experimental setup. The section also describes the methodologies applied for data collection and analysis, ensuring reproducibility and reliability of the findings.
Key techniques and instruments utilized in the research are specified, along with any relevant parameters or conditions that were controlled during the experiments. Statistical methods for data analysis are also mentioned, providing insight into how the results were interpreted and validated. Overall, this section serves as a comprehensive guide to the experimental framework that underpins the study’s conclusions.
Results
The results of the study provide a comprehensive characterization of the synthesized CdS/C₃N₄/COF nanostructures through various analytical techniques. Powder X-ray diffraction (PXRD) confirmed the structural integrity of the components, revealing characteristic peaks for melem, g-C₃N₄, and CdS nanoparticles, indicating successful integration of these materials. Notably, the intensity and position of diffraction peaks shifted with varying g-C₃N₄ content, suggesting changes in interlayer spacing and stacking density. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) and transmission electron microscopy (TEM) images demonstrated distinct morphologies, including rod-like structures for COF and cauliflower-like nanospheres for CdS, with a uniform distribution of components in the ternary composite, which is beneficial for charge migration and photocatalytic performance.
Thermal gravimetric analysis indicated enhanced thermal stability of the CdS/C₃N₄/COF composite compared to the binary C₃N₄/COF structure, attributed to stronger interactions among the components. Optical characterization revealed a significant redshift in the light absorption threshold upon incorporating CdS, extending the absorption spectrum and indicating improved potential for photogenerated electron generation. Photoluminescence spectroscopy showed pronounced quenching in the ternary composite, suggesting efficient non-radiative deactivation of excited states, which is advantageous for photocatalytic applications. Mott-Schottky measurements confirmed the n-type nature of the materials and established a staggered band alignment, facilitating interfacial charge transfer. Nitrogen adsorption-desorption isotherms indicated mesoporous features and a decrease in surface area with the introduction of CdS, highlighting the structural changes within the composite materials. Overall, these findings underscore the successful synthesis and potential applications of the CdS/C₃N₄/COF nanocomposite in photocatalytic processes.
Discussion
In this study, the synthesis and photocatalytic performance of a ternary CdS/C$_3$N$_4$/COF nanocomposite were investigated for the reduction of Cr(VI). The composite was synthesized using a stepwise ultrasonic-assisted solid-state method, where g-C$_3$N$_4$ nanosheets were prepared through calcination of urea, followed by the formation of a COF via a solvothermal process. The CdS nanoparticles were synthesized using a solvothermal approach and subsequently combined with the COF and g-C$_3$N$_4$ to create the final composite. Characterization techniques, including TEM, FESEM, XRD, and FT-IR, confirmed the successful formation and structural integrity of the nanocomposite.
The photocatalytic activity was evaluated under various conditions, revealing that the optimal weight ratio of CdS:C$_3$N$_4$:COF was 2:4:1, which maximized Cr(VI) removal efficiency while minimizing non-productive adsorption. The study highlighted the importance of pH, catalyst dosage, and initial Cr(VI) concentration on photocatalytic performance. Notably, a pH of 3.0 was identified as optimal, balancing adsorption and electron transfer. The nanocomposite demonstrated good recyclability, maintaining significant activity over multiple cycles, although a gradual decline was observed due to surface modifications and potential photocorrosion of CdS. Kinetic studies indicated that the photoreduction process followed pseudo-first-order kinetics, providing insights into the reaction dynamics. Overall, the ternary nanocomposite exhibited enhanced photocatalytic efficiency, attributed to the synergistic effects of its components in facilitating charge separation and enhancing light absorption.