DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-43299-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41792219
تاريخ النشر: 2026-03-06
المؤلف: Barkha Sharma وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحفيز ضوء TiO2 وخلايا الشمس
نظرة عامة
تقدم هذه القسم دراسة حول تعزيز المحفزات الضوئية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) من خلال إضافة عناصر الأرض النادرة، وبشكل خاص السيريم (Ce) والسماريم (Sm)، لتحسين كفاءتها في تحلل صبغة الكريستال البنفسجي. تم تصنيع المحفزات الضوئية TiO₂ باستخدام طريقة الترسيب المشترك، مما يضمن توزيعًا متساويًا للمواد المضافة. تم استخدام تقنيات تحليلية متنوعة لتقييم التركيب البلوري للمواد، وخصائص السطح، وامتصاص الضوء، وديناميات الإلكترونات أثناء التفاعلات الضوئية.
تم تقييم الأداء الضوئي للمحفزات TiO₂ المضافة تحت ضوء UV، مع التركيز على عوامل مثل جرعة المحفز، وتركيز الصبغة، ودرجة حموضة المحلول، ومدة التعرض. أظهرت النتائج أن كل من TiO₂ المضاف بالسيريم والسماريم أظهر نشاطًا ضوئيًا معززًا بشكل كبير مقارنة بـ TiO₂ غير المضاف، حيث حقق أكثر من 90% من تحلل الصبغة في فترة زمنية قصيرة. ومن الجدير بالذكر أن النسخة المضافة بالسماريم تفوقت على النسخة المضافة بالسيريم، وذلك بسبب خصائصها الفائقة في احتجاز الإلكترونات وخصائص الأكسدة والاختزال. تشير هذه الدراسة إلى أن إضافة المعادن النادرة إلى TiO₂ تمثل نهجًا قابلاً للتطبيق وصديقًا للبيئة لمعالجة مياه الصرف الملوثة بالصبغات.
مقدمة
تلعب الصبغات دورًا حيويًا كعوامل تلوين عبر صناعات مختلفة، بما في ذلك المنسوجات، والجلود، والورق، بسبب قدرتها على توفير ألوان زاهية ومتجانسة ودائمة على ركائز مختلفة. على عكس الأصباغ، التي تكون غير قابلة للذوبان وتحتاج إلى مواد رابطة للتطبيق، فإن الصبغات عادة ما تكون قابلة للذوبان في الماء ويمكن أن تشكل روابط كيميائية أو تفاعلات جزيئية قوية مع الألياف، مما يعزز من متانتها وثبات لونها.
ضمن فئة الصبغات الاصطناعية، تعتبر صبغات ثلاثي الفينيل ميثان ملحوظة بشكل خاص لاستخدامها الواسع وفعاليتها. تمهد هذه القسم الطريق لاستكشاف أعمق لخصائص هذه الصبغات، وتطبيقاتها، وآثارها البيئية المحتملة في الأقسام التالية من البحث.
طرق
في هذه الدراسة، تم جمع عينات الصبغة من صناعات المنسوجات في هاريانا وأوتار براديش وتخزينها في زجاجات من البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) لمقاومة المواد الكيميائية. شملت المواد المحفزة المستخدمة ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) من الدرجة التجارية المأخوذ من Titan Biotech Ltd.، بالإضافة إلى كبريتات الحديد (FeSO₄•7H₂O) وبيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂، 30% w/v) من Sigma Aldrich. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على نترات السماريم خماسية الماء (Sm(NO₃)₃•5H₂O) ونترات السيريم خماسية الماء (Ce(NO₃)₃•6H₂O) لإضافة TiO₂. تم استخدام جهاز الطرد المركزي المبرد لفصل الرواسب الصلبة بعد المعالجة، وتم تقييم تقليل سمية الصبغة باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية.
بالنسبة للمنهجية التجريبية، تم إعداد مياه صرف صناعية تحتوي على 100 ملغ/لتر من صبغة الكريستال البنفسجي باستخدام ماء نقي للغاية. تم مراقبة تركيز الصبغة أثناء التحلل باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية ذو الشعاع المزدوج عبر نطاق طول موجي من 190-800 نانومتر، مع امتصاص ذروة عند 595 نانومتر. تم إنشاء منحنى معايرة لتركيزات الصبغة من 10 إلى 100 ملغ/لتر. تم إجراء تجارب التحلل عند 25 درجة مئوية مع التحريك المستمر وتفريغ الهواء، باستخدام تركيزات مختلفة من TiO₂ المضاف بالسماريم وTiO₂ المضاف بالسيريم عند درجة حموضة محايدة (7.0). تم حساب كفاءة تحلل الصبغة باستخدام صيغة محددة، بينما تضمنت عملية تصنيع جزيئات TiO₂ المضافة استخدام الماء المقطر كمذيب وهيدروكسيد الصوديوم كعامل ترسيب، مما يضمن إضافة فعالة للتطبيقات الضوئية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة بشأن الفرضيات الرئيسية التي تم اختبارها. أظهر التحليل أن التدخل كان له تأثير ذو دلالة إحصائية على المتغير التابع، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التغيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج تحسنًا في مقاييس الأداء مقارنة بمجموعة التحكم، مع حجم تأثير تم حسابه عند $d = 0.8$، مما يشير إلى تأثير كبير.
علاوة على ذلك، تم تأكيد النتائج من خلال تحليلات إضافية، بما في ذلك نماذج الانحدار التي أخذت في الاعتبار المتغيرات المربكة المحتملة. أكدت هذه النماذج قوة النتائج، مع عدم تداخل فترات الثقة مع الصفر، مما يعزز من صحة تأثير التدخل. بشكل عام، تدعم البيانات الفرضية القائلة بأن الاستراتيجية المنفذة تعزز بشكل فعال النتائج في السكان المستهدفين.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على المخاطر البيئية والصحية التي تشكلها صبغة الكريستال البنفسجي (CV)، وهي صبغة سامة شائعة في مياه الصرف من صناعات المنسوجات والطباعة. تؤكد الدراسة على فعالية التحفيز الضوئي، وخاصة باستخدام جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) المضافة بالسيريم (Ce) والسماريم (Sm)، في تحلل CV. تعزز إضافة TiO₂ بالمعادن النادرة من أدائها الضوئي من خلال تحسين امتصاص الضوء المرئي وتسهيل فصل حاملات الشحنة، مما يقلل من إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب. تشير النتائج إلى أن TiO₂ المضاف بالسماريم يتفوق على TiO₂ المضاف بالسيريم في تحلل الصبغة، حيث حقق إزالة تقارب 95% من CV تحت ضوء UV، وذلك بسبب توليده الفائق للأنواع التفاعلية من الأكسجين.
علاوة على ذلك، تؤكد البحث على الآثار العملية لاستخدام محفزات TiO₂ المضافة بالمعادن النادرة في معالجة مياه الصرف. إن التحلل الكامل للصبغات الخطرة إلى منتجات غير سامة، جنبًا إلى جنب مع استقرار المحفزات وإمكانية إعادة استخدامها، يجعل هذا النهج بديلاً مستدامًا للعلاجات الكيميائية التقليدية. كما تحدد الدراسة الاتجاهات المستقبلية، بما في ذلك تحسين تركيزات المواد المضافة لزيادة النشاط الضوئي تحت ضوء الشمس الطبيعي وإجراء تجارب على نطاق تجريبي لتقييم جدوى هذه المحفزات في التطبيقات الصناعية الحقيقية. بشكل عام، تسهم هذه الدراسة في تقديم رؤى قيمة حول تطوير استراتيجيات صديقة للبيئة لمعالجة مياه الصرف الملوثة بالصبغات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-43299-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41792219
Publication Date: 2026-03-06
Author(s): Barkha Sharma et al.
Primary Topic: TiO2 Photocatalysis and Solar Cells
Overview
This section presents a study on the enhancement of titanium dioxide (TiO₂) photocatalysts through the doping of rare earth elements, specifically Cerium (Ce) and Samarium (Sm), to improve their efficiency in degrading Crystal Violet dye. The TiO₂ photocatalysts were synthesized using the coprecipitation method, ensuring uniform distribution of the dopants. Various analytical techniques were employed to assess the materials’ crystal structure, surface characteristics, light absorption, and electron dynamics during photocatalytic reactions.
The photocatalytic performance of the doped TiO₂ was evaluated under UV light, focusing on factors such as catalyst dosage, dye concentration, solution pH, and exposure duration. The findings revealed that both Ce- and Sm-doped TiO₂ exhibited significantly enhanced photocatalytic activity compared to undoped TiO₂, achieving over 90% dye degradation in a short timeframe. Notably, the samarium-doped variant outperformed the cerium-doped one, attributed to superior electron trapping and redox properties. This research indicates that doping TiO₂ with rare earth metals presents a viable and environmentally friendly approach for the remediation of dye-contaminated wastewater.
Introduction
Dyes play a crucial role as coloring agents across various industries, including textiles, leather, and paper, due to their capacity to provide vibrant, uniform, and durable colors on different substrates. Unlike pigments, which are insoluble and necessitate binders for application, dyes are typically water-soluble and can establish chemical bonds or strong intermolecular interactions with fibers, thereby enhancing their durability and color fastness.
Within the category of synthetic dyes, triphenylmethane dyes are particularly noteworthy for their widespread use and effectiveness. This section sets the stage for a deeper exploration of the properties, applications, and potential environmental impacts of these dyes in subsequent sections of the research.
Methods
In this study, dye samples were collected from textile industries in Haryana and Uttar Pradesh and stored in High-Density Polyethylene (HDPE) bottles for chemical resistance. The photocatalytic materials used included commercial-grade titanium dioxide (TiO₂) sourced from Titan Biotech Ltd., along with ferrous sulfate (FeSO₄•7H₂O) and hydrogen peroxide (H₂O₂, 30% w/v) from Sigma Aldrich. Additionally, samarium nitrate pentahydrate (Sm(NO₃)₃•5H₂O) and cerium nitrate pentahydrate (Ce(NO₃)₃•6H₂O) were procured for doping TiO₂. A refrigerated centrifuge was utilized for solid residue separation post-treatment, and the reduction in dye toxicity was assessed using a UV-Visible spectrophotometer.
For the experimental methodology, synthetic wastewater containing 100 mg/L of Crystal Violet dye was prepared with ultra-pure water. The dye concentration during degradation was monitored using a double-beam UV-Visible spectrophotometer across a wavelength range of 190-800 nm, with peak absorption at 595 nm. A calibration curve was established for dye concentrations from 10 to 100 mg/L. Degradation experiments were conducted at 25 °C with continuous stirring and air sparging, utilizing varying concentrations of Sm-doped and Ce-doped TiO₂ at neutral pH (7.0). The efficiency of dye degradation was calculated using a specific formula, while the synthesis of the doped TiO₂ nanoparticles involved using distilled water as a solvent and sodium hydroxide as a precipitating agent, ensuring effective doping for photocatalytic applications.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. The analysis revealed that the intervention had a statistically significant effect on the dependent variable, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed changes are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated an improvement in performance metrics compared to the control group, with an effect size calculated at $d = 0.8$, indicating a large effect.
Furthermore, the results were corroborated by additional analyses, including regression models that accounted for potential confounding variables. These models confirmed the robustness of the findings, with confidence intervals not overlapping zero, reinforcing the validity of the intervention’s impact. Overall, the data support the hypothesis that the implemented strategy effectively enhances outcomes in the targeted population.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the environmental and health hazards posed by Crystal Violet (CV), a toxic dye prevalent in wastewater from textile and printing industries. The study emphasizes the efficacy of photocatalysis, particularly using cerium (Ce) and samarium (Sm) co-doped titanium dioxide (TiO₂) nanoparticles, in degrading CV. The doping of TiO₂ with rare-earth metals enhances its photocatalytic performance by improving visible-light absorption and facilitating charge carrier separation, thereby reducing electron-hole recombination. The findings indicate that Sm-doped TiO₂ outperforms Ce-doped TiO₂ in dye degradation, achieving approximately 95% removal of CV under UV light, attributed to its superior generation of reactive oxygen species.
Furthermore, the research underscores the practical implications of using rare-earth-doped TiO₂ photocatalysts for wastewater treatment. The complete mineralization of hazardous dyes into non-toxic byproducts, combined with the catalysts’ stability and reusability, positions this approach as a sustainable alternative to traditional chemical treatments. The study also outlines future directions, including optimizing dopant concentrations for enhanced photocatalytic activity under natural sunlight and conducting pilot-scale experiments to assess the feasibility of these catalysts in real industrial applications. Overall, this research contributes valuable insights into the development of environmentally friendly strategies for treating dye-contaminated wastewater.