DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35063-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495180
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Zahra Gholizadeh وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات النقاط الكربونية والكمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة التخليق الناجح لمركبات نانوية جديدة من أكسيد الألمنيوم (Al$_2$O$_3$) باستخدام طريقة الترسيب المشترك الخالية من المواد السطحية، مع التركيز على تأثيرات التكلس عند 550 درجة مئوية على خصائصها. تم تخليق نقاط الكم الكربونية (CQDs) في حالة سائلة وتم دمجها في جزيئات نانوية من الألومينا خلال عملية الترسيب المشترك. تكشف النتائج أن تشكيل مركب الألومينا/CQD النانوي يؤثر بشكل كبير على الخصائص البصرية والهيكلية، والشكل، والثبات للجزيئات النانوية الناتجة.
بعد التكلس، تظهر المركبات النانوية جزيئات نانوية كروية صغيرة وهياكل شبيهة بالخيوط بمتوسط أقطار يبلغ 8.31 نانومتر وسمك خيوط يبلغ 3 نانومتر. تُظهر كل من المركبات النانوية التي تم تخليقها والمركبات النانوية المتكلسة انعكاسية عالية عبر نطاق واسع (300 نانومتر إلى 1200 نانومتر)، مما يجعلها مناسبة للاستخدام كعاكسات. بالإضافة إلى ذلك، تم قياس المساحات السطحية المحددة (SSAs) للمركبات النانوية التي تم تخليقها والمركبات النانوية المتكلسة عند 214.33 م²/غ و257.63 م²/غ، على التوالي، مما يدل على فعالية طريقة التخليق المطورة في إنتاج مركبات نانوية من الألومينا/CQD ذات مساحة سطح محددة عالية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الاهتمام المتزايد بالجزيئات النانوية (NPs)، وخاصة جزيئات المعادن وأكاسيد المعادن، بسبب خصائصها الفريدة مثل مساحة السطح المحددة العالية، السمية، والأنشطة التحفيزية. من بين هذه الجزيئات، تُعتبر جزيئات أكسيد الألمنيوم (الألومينا) نانوية معروفة بخصائصها الاستثنائية، بما في ذلك القوة الميكانيكية، الثبات الحراري، ومقاومة العوامل البيئية المختلفة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات متنوعة. توضح الدراسات الحديثة، مثل تلك التي أجراها بيكيلي وآخرون وأجالي وآخرون، تخليق جزيئات الألومينا النانوية ودمجها في مركبات نانوية لتطبيقات في معالجة مياه الصرف الصحي وعلاج السرطان، على التوالي، مما يظهر فعاليتها وإمكاناتها في تحسين نتائج العلاج.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تسليط الضوء على نقاط الكم الكربونية (CQDs)، التي تتميز بحجمها الصغير وخصائصها المفيدة مثل السمية الخلوية المنخفضة واللمعان القابل للتعديل، لتطبيقاتها في توصيل الأدوية ورصد البيئة. تقترح الورقة مركبًا جديدًا من CQDs والألومينا للاستفادة من التأثيرات التآزرية لكلا المادتين. يتم تقديم طريقة تخليق جديدة، حيث يتم تحضير CQDs في محلول قبل تشكيل هياكل أكسيد الألمنيوم النانوية، مع التحقيق في تأثير التكلس على خصائص المركب النانوي الناتج. تشير النتائج إلى تفاعلات كبيرة داخل المركب، مما يبرز الإمكانية لتطبيقات مصممة خصيصًا في مجالات متنوعة.
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء تخليق مركبات الألومينا/نقاط الكم الكربونية (CQD) النانوية في مرحلتين رئيسيتين: تحضير محلول CQD والتشكيل اللاحق لمركب الألومينا/CQD. تم إنتاج محلول CQD عن طريق إذابة 3 غرامات من حمض الستريك في حمام بارافين عند 200 درجة مئوية، تلاها إضافة تدريجية لـ 100 مل من هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بتركيز 1 م. أسفر هذا العملية عن محلول غني بـ CQDs، والذي تم استخدامه لاحقًا في تخليق المركب.
لتحضير المركب النانوي، تم إذابة 2.5 غرام من نترات الألمنيوم ($\text{Al(NO}_3)_3$) في 60 مل من الماء منزوع الأيونات وتم تحريكه لمدة 20 دقيقة، بالتزامن مع محلول من بيكربونات الأمونيوم ($\text{NH}_4\text{HCO}_3$) تم تحضيره بنفس الطريقة. ثم تم دمج هذه المحاليل بالتنقيط مع 5 مل من محلول CQD و35 مل من الماء منزوع الأيونات، مع ضبط الرقم الهيدروجيني إلى 8 باستخدام 2 م NaOH. تم تسخين المزيج عند 70 درجة مئوية لمدة ثلاث ساعات لتسهيل تشكيل الراسب، والذي تم غسله وتجفيفه عند 70 درجة مئوية لمدة 12 ساعة، مما أسفر عن مسحوق تمهيدي يسمى AQD. خضع هذا المسحوق للتكلس عند 550 درجة مئوية لمدة ساعتين، مما أسفر عن المنتج النهائي، CAQD، الذي تم تحليله بعد ذلك لتوصيف المركبات النانوية الناتجة.
نتائج
تقدم قسم النتائج بيانات أولية حول نقاط الكم الكربونية السائلة (CQD) التي تشكلت خلال عملية التخليق. يوضح الخصائص البصرية والهيكلية للمركبات النانوية الناتجة، مقارنة بين المواد التي تم تخليقها وتلك التي خضعت للتكلس. تشير النتائج إلى وجود اختلافات كبيرة في هذه الخصائص، والتي تعتبر حاسمة لفهم الأداء والإمكانات التطبيقية للمركبات النانوية في مجالات متنوعة. تتناول المناقشة اللاحقة تداعيات هذه النتائج على الأبحاث والتطوير المستقبلي.
مناقشة
يقدم قسم المناقشة في ورقة البحث تحليلًا شاملاً للخصائص البصرية والهيكلية والحرارية لنقاط الكم الكربونية (CQDs) ومركباتها النانوية مع الألومينا. تحت تحفيز الأشعة فوق البنفسجية عند 380 نانومتر، أظهر محلول CQD ضوءًا فوتولومينيسنتًا كبيرًا مع انبعاث أخضر مرئي عند حوالي 532 نانومتر وانبعاث قريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR) يتراوح من 780 إلى 900 نانومتر. تتوافق الانبعاثات الملحوظة مع حجم وخصائص CQDs الهيكلية، حيث تميل النقاط الأصغر إلى الانبعاث عند أطوال موجية أقصر. كشفت المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) عن متوسط قطر CQD يبلغ 2.48 نانومتر، بينما أكدت مطيافية الأشعة السينية (XPS) التركيب العنصري، الذي يتكون أساسًا من الكربون والأكسجين، مما يدل على نجاح التخليق ونقاء عالي.
قدمت التحليلات الإضافية، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) ومطيافية رامان، رؤى حول المجموعات الوظيفية والخصائص الهيكلية لمركبات الألومينا/CQD النانوية. أشارت نتائج FTIR إلى وجود أكسيد الألمنيوم وروابط مرتبطة بالكربون، بينما أظهرت طيف رامان قممًا مميزة مرتبطة بالهياكل النانوية الكربونية. أكدت أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) الطبيعة غير المتبلورة للمركب النانوي الذي تم تخليقه، مع ملاحظة تبلور جزئي بعد التكلس عند 550 درجة مئوية. أشارت التحليلات الحرارية إلى فقدان كبير في الكتلة بسبب التحلل الأكسيدي لبقايا الكربون، إلى جانب إعادة ترتيب الطور لمصفوفة الألومينا. كشفت الخصائص البصرية عن انخفاض في كل من طاقات فجوة النطاق المباشرة وغير المباشرة عند دمج CQDs، مما يشير إلى تحسين الخصائص الإلكترونية. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات مركبات CQD-الألومينا لتطبيقات في البصريات والتحفيز، مما يبرز خصائصها القابلة للتعديل بناءً على ظروف التخليق.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35063-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495180
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Zahra Gholizadeh et al.
Primary Topic: Carbon and Quantum Dots Applications
Overview
This study presents the successful synthesis of novel aluminum oxide (Al$_2$O$_3$) nanocomposites using a surfactant-free co-precipitation method, with a focus on the effects of calcination at 550°C on their properties. Carbon quantum dots (CQDs) were synthesized in a liquid state and incorporated into the alumina nanoparticles during the co-precipitation process. The findings reveal that the formation of the alumina/CQD nanocomposite significantly influences the optical and structural properties, morphology, and stability of the resulting nanoparticles.
Post-calcination, the nanocomposites exhibit small spherical nanoparticles and strand-like structures with average diameters of 8.31 nm and strand thicknesses of 3 nm. Both the as-synthesized and calcined nanocomposites demonstrate high reflectance across a broad range (300 nm to 1200 nm), making them suitable for applications as reflectors. Additionally, the specific surface areas (SSAs) of the as-synthesized and calcined nanocomposites were measured at 214.33 m²/g and 257.63 m²/g, respectively, indicating the effectiveness of the developed synthesis method in producing high-specific-surface-area alumina/CQD nanocomposites.
Introduction
The introduction highlights the growing interest in nanoparticles (NPs), particularly metal and metal oxide NPs, due to their unique properties such as high specific surface area, toxicity, and catalytic activities. Among these, aluminum oxide (alumina) NPs are noted for their exceptional characteristics, including mechanical strength, thermal stability, and resistance to various environmental factors, making them suitable for diverse applications. Recent studies, such as those by Bekele et al. and Ajalli et al., illustrate the synthesis of alumina NPs and their incorporation into nanocomposites for applications in wastewater treatment and cancer therapy, respectively, demonstrating their effectiveness and potential for enhancing treatment outcomes.
Additionally, carbon quantum dots (CQDs), characterized by their small size and advantageous properties like low cytotoxicity and tunable luminescence, are highlighted for their applications in drug delivery and environmental monitoring. The paper proposes a novel composite of CQDs and alumina to leverage the synergistic effects of both materials. A new synthesis method is introduced, where CQDs are prepared in solution prior to the formation of aluminum oxide nanostructures, with an investigation into the impact of calcination on the properties of the resulting nanocomposite. The findings suggest significant interactions within the composite, emphasizing the potential for tailored applications in various fields.
Methods
In this study, the synthesis of alumina/carbon quantum dot (CQD) nanocomposites was conducted in two primary stages: the preparation of a CQD solution and the subsequent formation of the alumina/CQD composite. The CQD solution was generated by melting 3 g of citric acid in a paraffin bath at 200°C, followed by the gradual addition of 100 mL of 1 M sodium hydroxide (NaOH). This process resulted in a solution rich in CQDs, which was later utilized in the composite synthesis.
For the nanocomposite preparation, 2.5 g of aluminum nitrate ($\text{Al(NO}_3)_3$) was dissolved in 60 mL of deionized water and stirred for 20 minutes, concurrently with a solution of ammonium bicarbonate ($\text{NH}_4\text{HCO}_3$) prepared in a similar manner. These solutions were then combined dropwise with 5 mL of the CQD solution and 35 mL of deionized water, with the pH adjusted to 8 using 2 M NaOH. The mixture was heated at 70°C for three hours to facilitate precipitate formation, which was subsequently washed and dried at 70°C for 12 hours, yielding a precursor powder termed AQD. This powder underwent calcination at 550°C for two hours, resulting in the final product, CAQD, which was then analyzed to characterize the resulting nanocomposites.
Results
The results section presents initial data on the liquid carbon quantum dots (CQD) formed during the synthesis process. It details the optical and structural properties of the resulting nanocomposites, comparing both the as-synthesized materials and those subjected to calcination. The findings indicate significant variations in these properties, which are crucial for understanding the performance and potential applications of the nanocomposites in various fields. Further discussion elaborates on the implications of these results for future research and development.
Discussion
The discussion section of the research paper presents a comprehensive analysis of the optical, structural, and thermal properties of carbon quantum dots (CQDs) and their nanocomposites with alumina. Under UV excitation at 380 nm, the CQD solution exhibited significant photoluminescence with visible green emission at approximately 532 nm and a dominant near-infrared (NIR) emission ranging from 780 to 900 nm. The observed emissions correlate with the size and structural characteristics of the CQDs, where smaller dots typically emit at shorter wavelengths. Transmission electron microscopy (TEM) revealed an average CQD diameter of 2.48 nm, while X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the elemental composition, primarily carbon and oxygen, indicating successful synthesis and high purity.
Further analyses, including Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and Raman spectroscopy, provided insights into the functional groups and structural characteristics of the alumina/CQD nanocomposites. The FTIR results indicated the presence of aluminum oxide and carbon-related bonds, while Raman spectra showed characteristic peaks associated with carbon nanostructures. X-ray diffraction (XRD) patterns confirmed the amorphous nature of the as-synthesized nanocomposite, with partial crystallization observed post-calcination at 550 °C. The thermal analysis indicated significant mass loss due to the oxidative decomposition of carbonaceous residues, alongside phase rearrangement of the alumina matrix. The optical characteristics revealed a reduction in both direct and indirect band gap energies upon incorporation of CQDs, suggesting enhanced electronic properties. Overall, the findings underscore the potential of CQD-alumina nanocomposites for applications in optics and catalysis, highlighting their tunable properties based on synthesis conditions.