DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-51090-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42156831
تاريخ النشر: 2026-05-19
المؤلف: H. Awad وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تخليق وتطبيق قضبان نانوية من ZnO (NRs) وجزيئات نانوية من Fe₃O₄ (NPs) ومركباتها النانوية Ag@ZnO وFe₃O₄@ZnO لمعالجة تلوث المياه الناتج عن الأصباغ العضوية، وبشكل خاص الأخضر المالاشيت (MG). تم تصنيع المواد باستخدام طريقة هيدروحرارية مساعدة بالميكروويف، وتم تقييم أنشطتها الضوئية بشكل دقيق. وجدت الدراسة أنه بينما حققت قضبان ZnO النانوية 55% من تحلل MG خلال 90 دقيقة، أظهرت مركبات Ag@ZnO وFe₃O₄@ZnO تحللًا كاملاً، مما يبرز أدائها الضوئي المتفوق. علاوة على ذلك، أظهر Ag@ZnO أنه ركيزة فعالة لتحليل الطيف الراماني المعزز على السطح (SERS)، مما يتيح الكشف عن MG بتركيزات منخفضة تصل إلى 2 جزء في المليون.
أكدت التوصيفات الهيكلية والبصرية الشاملة على التكوين الناجح للمركبات النانوية، حيث كشفت حيود الأشعة السينية (XRD) عن الهيكل السداسي الوورتيزيت لـ ZnO والهيكل المكعب لـ Fe₃O₄. كما لاحظت الدراسة أن دمج جزيئات Ag النانوية حسّن الخصائص البصرية لـ ZnO من خلال تعزيز امتصاص الضوء المرئي وتقليل معدلات إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب. تؤكد النتائج على إمكانيات هذه المركبات النانوية متعددة الوظائف في معالجة مياه الصرف بكفاءة وكشف الملوثات بشكل حساس، حيث أظهرت Ag@ZnO وFe₃O₄@ZnO مزايا مميزة في النشاط الضوئي وأداء SERS، على التوالي. تقدم هذه الدراسة استراتيجية واعدة للمراقبة البيئية المستدامة وإعادة التأهيل.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك بذور الكتان، وكلوريد الحديد الثنائي (FeCl₂)، وكلوريد الحديد الثلاثي (FeCl₃)، وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، ونترات الزنك (Zn(NO₃)₂)، وهكساميثيلين تترا أمين (HMT، C₆H₁₂N₄)، ونترات الفضة (AgNO₃)، وبولي فينيل بيروليدون (PVP، MW 10,000 g/mol، C₆H₉NO)، وصبغة الميثيلين الأخضر (MG)، وإيثيلين جلايكول (C₂H₆O₂). تم الحصول على جميع المواد الكيميائية من شركة لوبي وتم استخدامها دون أي تنقية إضافية. تم استخدام الماء المقطر بشكل متسق طوال الإجراءات التجريبية لضمان سلامة النتائج.
نتائج
توفر نتائج هذه الدراسة رؤى شاملة حول الخصائص الهيكلية والبصرية لقضبان ZnO النانوية (NRs)، وجزيئات Fe₃O₄ النانوية (NPs)، ومركباتها النانوية، Ag@ZnO وFe₃O₄@ZnO. أكدت تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) على التخليق الناجح لـ ZnO البلوري مع هيكل سداسي وورتيزيت، يتميز بقمم حيود محددة. أدى دمج Ag في مصفوفة ZnO إلى تحولات طفيفة في قمم الحيود، تعزى إلى توسع الشبكة والضغط بين الواجهات، بينما تم أيضًا ملاحظة قمم جديدة تتعلق بـ Ag المعدني، مما يدل على ترسيب Ag الناجح. تم تقدير أحجام البلورات بحوالي 19.6 نانومتر لـ ZnO و18.45 نانومتر لـ Fe₃O₄، مما يؤكد طبيعتها النانوية البلورية. أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) أيضًا على تكوين ZnO وFe₃O₄، كاشفة عن أوضاع اهتزازية مميزة مرتبطة بروابطها الخاصة.
أشارت مطيافية رامان إلى تغييرات في الأوضاع الاهتزازية عند دمج Ag، مع قمم تتعلق بتفاعلات Ag-O، بينما أكدت المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) على الشكل وتوزيع الحجم للهياكل النانوية، مما يظهر قضبان ZnO النانوية المحددة بشكل جيد وزخرفة جزيئات Ag النانوية المتجانسة. كشفت قياسات تشتت الضوء الديناميكي (DLS) عن تحول كبير في الجهد الزتاوي من سالب لـ ZnO إلى موجب لـ Ag@ZnO، مما يشير إلى تغير في كيمياء السطح. أظهرت مطيافية الانعكاس المنتشر (DRS) أن دمج Ag لم يقم فقط بتضييق فجوة الطاقة لـ ZnO ولكن أيضًا قدم قمة رنين بلازمي في المنطقة المرئية، مما يعزز امتصاص الضوء. أشارت مطيافية الفلورية (PL) إلى تقليل معدلات إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب في مركب Ag@ZnO، مما يشير إلى تحسين النشاط الضوئي. بشكل جماعي، تبرز هذه النتائج سلامة الهيكل والخصائص البصرية المحسنة للمركبات النانوية المصنعة، مما يجعلها مرشحة واعدة للتطبيقات الضوئية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق قضبان ZnO النانوية، وAg@ZnO، ومركبات Fe₃O₄@ZnO باستخدام طريقة هيدروحرارية مساعدة بالميكروويف وتم تقييم فعاليتها في إعادة تأهيل مياه الصرف وتطبيقات كشف الأصباغ. شملت عملية التخليق إذابة المواد الأولية في الماء المقطر، تلتها إشعاعات ميكروويف، مما سهل تشكيل الهياكل البلورية. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك FTIR وXRD ومطيافية UV-Vis، على الدمج الناجح لجزيئات Ag النانوية وFe₃O₄ في مصفوفة ZnO، مما يعزز امتصاص الضوء المرئي ويقلل من إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب.
تم تقييم الأداء الضوئي للمركبات النانوية باستخدام صبغة المالاشيت الأخضر (MG) كملوث نموذجي. أشارت النتائج إلى أن Ag@ZnO وFe₃O₄@ZnO حققتا تحللًا كاملاً لـ MG تحت إشعاع الضوء المرئي، متفوقتين على ZnO النقي بسبب تحسين فصل الشحنات وزيادة المواقع النشطة. من الجدير بالذكر أن Ag@ZnO أظهرت حساسية ممتازة في مطيافية رامان المعززة على السطح (SERS)، حيث تم الكشف عن MG حتى 2 جزء في المليون، مما يعزى إلى الرنين البلازمي السطحي المحلي وتفاعلات نقل الشحن. تؤكد النتائج على إمكانيات هذه المركبات النانوية متعددة الوظائف القائمة على ZnO في معالجة مياه الصرف المستدامة والمراقبة البيئية، مما يبرز الأدوار المميزة لـ Ag البلازمي وFe₃O₄ المغناطيسي في تعزيز النشاط الضوئي وقدرات كشف الملوثات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-51090-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42156831
Publication Date: 2026-05-19
Author(s): H. Awad et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
This research investigates the synthesis and application of ZnO nanorods (NRs), Fe₃O₄ nanoparticles (NPs), and their respective Ag@ZnO and Fe₃O₄@ZnO nanocomposites for addressing water pollution caused by organic dyes, specifically malachite green (MG). The materials were fabricated using a microwave-assisted hydrothermal method, and their photocatalytic activities were rigorously evaluated. The study found that while ZnO NRs achieved 55% degradation of MG within 90 minutes, the Ag@ZnO and Fe₃O₄@ZnO nanocomposites demonstrated complete degradation, highlighting their superior photocatalytic performance. Furthermore, Ag@ZnO was shown to be an effective substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), enabling detection of MG at concentrations as low as 2 ppm.
Comprehensive structural and optical characterizations confirmed the successful formation of the nanocomposites, with X-ray diffraction (XRD) revealing the hexagonal wurtzite structure of ZnO and the cubic structure of Fe₃O₄. The study also noted that the incorporation of Ag NPs improved the optical properties of ZnO by enhancing visible-light absorption and reducing electron-hole recombination rates. The findings underscore the potential of these multifunctional nanocomposites for efficient wastewater treatment and sensitive pollutant detection, with Ag@ZnO and Fe₃O₄@ZnO exhibiting distinct advantages in photocatalytic activity and SERS performance, respectively. This research presents a promising strategy for sustainable environmental monitoring and remediation.
Methods
In the experimental section of the study, a variety of materials were utilized, including flaxseed, ferrous chloride (FeCl₂), ferric chloride (FeCl₃), sodium hydroxide (NaOH), zinc nitrate (Zn(NO₃)₂), hexamethylenetetramine (HMT, C₆H₁₂N₄), silver nitrate (AgNO₃), polyvinylpyrrolidone (PVP, MW 10,000 g/mol, C₆H₉NO), methylene green (MG) dye, and ethylene glycol (C₂H₆O₂). All chemicals were sourced from Loba Company and were used without any additional purification. Deionized water was consistently employed throughout the experimental procedures to ensure the integrity of the results.
Results
The results of this study provide comprehensive insights into the structural and optical properties of synthesized ZnO nanorods (NRs), Fe₃O₄ nanoparticles (NPs), and their respective nanocomposites, Ag@ZnO and Fe₃O₄@ZnO. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the successful synthesis of crystalline ZnO with a hexagonal wurtzite structure, characterized by specific diffraction peaks. The incorporation of Ag into the ZnO matrix resulted in slight shifts in the diffraction peaks, attributed to lattice expansion and interfacial strain, while new peaks corresponding to metallic Ag were also observed, indicating successful Ag deposition. The crystallite sizes were estimated to be approximately 19.6 nm for ZnO and 18.45 nm for Fe₃O₄, confirming their nanocrystalline nature. Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy further validated the formation of ZnO and Fe₃O₄, revealing characteristic vibrational modes associated with their respective bonds.
Raman spectroscopy indicated changes in the vibrational modes upon Ag incorporation, with peaks corresponding to Ag-O interactions, while transmission electron microscopy (TEM) confirmed the morphology and size distribution of the nanostructures, showing well-defined ZnO NRs and uniform Ag nanoparticle decoration. Dynamic light scattering (DLS) measurements revealed a significant shift in zeta potential from negative for ZnO to positive for Ag@ZnO, suggesting altered surface chemistry. Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) demonstrated that Ag incorporation not only narrowed the band gap of ZnO but also introduced a plasmonic resonance peak in the visible region, enhancing light absorption. Photoluminescence (PL) spectroscopy indicated reduced electron-hole recombination rates in the Ag@ZnO composite, suggesting improved photocatalytic activity. Collectively, these findings highlight the structural integrity and enhanced optical properties of the synthesized nanocomposites, positioning them as promising candidates for photocatalytic applications.
Discussion
In this study, ZnO nanorods, Ag@ZnO, and Fe₃O₄@ZnO nanocomposites were synthesized using a microwave-assisted hydrothermal method and evaluated for their effectiveness in wastewater remediation and dye sensing applications. The synthesis involved the dissolution of precursors in deionized water, followed by microwave irradiation, which facilitated the formation of crystalline structures. Characterization techniques, including FTIR, XRD, and UV-Vis spectroscopy, confirmed the successful integration of Ag nanoparticles and Fe₃O₄ into the ZnO matrix, enhancing visible-light absorption and reducing electron-hole recombination.
The photocatalytic performance of the nanocomposites was assessed using Malachite Green (MG) dye as a model pollutant. Results indicated that Ag@ZnO and Fe₃O₄@ZnO achieved complete degradation of MG under visible-light irradiation, outperforming pristine ZnO due to improved charge separation and increased active sites. Notably, Ag@ZnO demonstrated excellent sensitivity in surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), detecting MG down to 2 ppm, attributed to localized surface plasmon resonance and charge-transfer interactions. The findings underscore the potential of these multifunctional ZnO-based nanocomposites for sustainable wastewater treatment and environmental monitoring, highlighting the distinct roles of plasmonic Ag and magnetic Fe₃O₄ in enhancing photocatalytic activity and pollutant detection capabilities.