DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175924
تاريخ النشر: 2026-04-06
المؤلف: Paolo Iaconis وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تطوير محفزات ضوئية جديدة قائمة على MXene (Ti₃C₂) تهدف إلى تعزيز التحلل الضوئي للملوثات المستمرة، وخاصة السلفاميثوكسا زول (SMZ)، وهو ملوث صيدلاني شائع. شملت الدراسة تخليق تقاطعات MXene مع مواد مختلفة، بما في ذلك نظامين قائمين على C₃N₄ ونظامين قائمين على ZnO، أحدهما يحتوي على كمية صغيرة من CeO₂. كشفت خصائص مركبات MXene-ZnO وMXene-ZnO-CeO₂ عن أدائها المتفوق في تحلل SMZ تحت إشعاع شمسي محاكى، محققة إزالة شبه كاملة خلال 45 دقيقة. ومع ذلك، بينما تم تحلل SMZ بسرعة، أشارت توقعات السمية إلى أن بعض المنتجات التحولية التي تشكلت خلال العملية أظهرت سمية أعلى، مما يتطلب أوقات إشعاع أطول للتخلص الفعال من السمية.
تؤكد النتائج على أهمية تصميم الواجهة والبنية الإلكترونية في الأداء الضوئي. أظهرت مركب MXene-ZnO-CeO₂ أعلى معدل تحلل (k’ = 5.741 h⁻¹) وحافظت على الاستقرار الهيكلي وإمكانية إعادة الاستخدام. تم عزو النشاط المعزز إلى تأثير تآزري يشمل فصل الشحنات المدفوع بواسطة Schottky ونقل الشحنات المدعوم بالعيوب، مما يسهل بشكل خاص وجود أنواع Ce³⁺، التي أنشأت فراغات أكسجين عملت كخزانات للإلكترونات. تؤكد هذه الدراسة على أن إزالة الملوثات بكفاءة لا تعادل التخلص من السمية، مما يبرز ضرورة دمج حركيات التحلل مع تقييمات السمية في التطبيقات الضوئية. بشكل عام، توضح الأبحاث أن هندسة العيوب عند واجهات MXene-أشباه الموصلات يمكن أن تحسن بشكل كبير من الكفاءة الضوئية، مما يمهد الطريق لمحفزات ضوئية متقدمة قائمة على MXene في معالجة البيئة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الوجود الواسع للمضادات الحيوية، وخاصة السلفاميثوكسا زول (SMZ)، في البيئات المائية بسبب استخدامها الواسع في الطب البشري والبيطري. إن الاستمرارية البيئية لـ SMZ، إلى جانب نشاطه البيولوجي عند تركيزات منخفضة ودوره في تعزيز المقاومة الميكروبية، تتطلب تطوير طرق تحلل فعالة، حيث أن عمليات معالجة مياه الصرف التقليدية غير كافية لإزالة هذه المركبات. لقد ظهرت التحفيز الضوئي كتقنية أكسدة متقدمة واعدة لتحلل الملوثات العضوية، ولكن تطبيقها على نطاق واسع يواجه تحديات تتعلق بكفاءة المحفز واستقراره.
لمعالجة هذه القيود، تقدم الورقة MXenes، وهي فئة جديدة من المواد ثنائية الأبعاد تتميز بخصائصها الفريدة، بما في ذلك الموصلية المعدنية أو شبه المعدنية والوظائف السطحية القابلة للتعديل. من بينها، يُلاحظ Ti₃C₂Tₓ بشكل خاص لخصائصه الاستثنائية، التي تعزز الأداء الضوئي عند استخدامه كمحفز مساعد في أنظمة أشباه الموصلات. تركز الدراسة على تصميم وتصنيع محفزات ضوئية بتقاطع تجمع بين MXene Ti₃C₂ مع نيتريد الكربون الجرافيتي (g-C₃N₄) وأكسيد الزنك (ZnO) لتحقيق تحلل فعال لـ SMZ تحت إشعاع شمسي محاكى. تهدف الأبحاث إلى التحقيق بشكل منهجي في كيفية تأثير معلمات التخليق المختلفة على الخصائص الهيكلية والشكلية والضوئية لهذه التقاطعات، مما يوضح العلاقة بين ظروف التخليق والأداء الضوئي.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والمركبات المستخدمة في أبحاثهم. تشمل المركبات الرئيسية السلفاميثوكسا زول (SMZ) بصفاء 99% مصدره من Merck، والميلامين (99% من Merck)، وحمض الهيدروفلوريك (48% من Merck). بالإضافة إلى ذلك، استخدموا Ti₃AlC₂، وهو مادة من مرحلة MAX، مع خلات الزنك المائية (Zn(CH₃COO)₂⋅2H₂O) وكلوريد السيريوم (III) هيدرات (CeCl₃⋅7H₂O)، وكلاهما تم الحصول عليه من Merck. كما تضمنت المنهجية استخدام كريات هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) من Merck وحمض الفوسفوريك (H₃PO₄، 86%، من VWR Chemicals). هذه المواد ضرورية للإجراءات التجريبية الموضحة في الدراسة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في المتغير التابع، الذي تم قياسه باستخدام مقاييس قياسية، مقارنة بمجموعة التحكم.
علاوة على ذلك، تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين التدخل والآثار الملحوظة، كما يتضح من معامل الارتباط $r = 0.85$. تدعم هذه النتائج الفرضية الأولية وتبرز الفعالية المحتملة للتدخل في السكان المستهدفين. تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، مقترحة سبلًا للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وخصائص MXene وتقاطعاته مع نيتريد الكربون (C₃N₄) وأكسيد الزنك (ZnO). تم تخليق MXene من Ti₃AlC₂ باستخدام حمض الهيدروفلوريك (HF) بتركيزين (5% و10%)، حيث أسفر الأخير عن منتج أنقى كما يتضح من تحليل حيود الأشعة السينية (XRD). تم تأكيد نجاح تقشير مرحلة MAX من خلال ظهور قمم MXene المميزة وتقليل قمم مرحلة MAX المتبقية في أنماط XRD. تم تشكيل التقاطعات عن طريق تسخين MXene مع C₃N₄ عند درجات حرارة مختلفة (350 درجة مئوية و450 درجة مئوية) ومن خلال ترسيب ZnO وأكسيد السيريوم (CeO₂) على MXene. كشفت التحليلات الشكلية عبر المجهر الإلكتروني الماسح (FESEM) عن ميزات هيكلية مميزة، حيث احتفظت تقاطع MXene-C₃N₄ بهيكلها الطبقي، بينما أظهر مركب MXene-ZnO-CeO₂ تغطية كاملة بجزيئات الأكسيد.
تمت خصائص المواد المصنعة باستخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية ومطيافية الإلكترونات السينية (XPS). أشارت الأطياف فوق البنفسجية والمرئية إلى أن مركبات MXene-C₃N₄ أظهرت امتصاصًا معززًا للضوء، خاصة عند درجات حرارة التسخين الأعلى، بينما أظهرت التقاطعات القائمة على ZnO ملفات امتصاص مشابهة مع امتداد طفيف إلى النطاق المرئي لمركب MXene-ZnO-CeO₂. كشفت تحليلات XPS عن أكسدة سطحية كبيرة لـ MXene، مع تشكيل هيكل قشرة-نواة TiOₓ، وأبرزت وجود أنواع Ce³⁺ في مركب MXene-ZnO-CeO₂، المرتبطة بتحسين نقل الشحنات عند الواجهة والأداء الضوئي. تشير النتائج إلى أن التعديلات في البنية الإلكترونية عند تشكيل هذه التقاطعات تلعب دورًا حاسمًا في تحسين الكفاءة الضوئية، خاصة في نظام MXene-ZnO-CeO₂، الذي يستفيد من آليات نقل الشحنات المدعومة بالعيوب.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175924
Publication Date: 2026-04-06
Author(s): Paolo Iaconis et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
This research presents the development of novel MXene (Ti₃C₂) based photocatalysts aimed at enhancing the photocatalytic degradation of persistent pollutants, specifically sulfamethoxazole (SMZ), a common pharmaceutical contaminant. The study involved synthesizing MXene heterojunctions with various materials, including two C₃N₄-based and two ZnO-based systems, one of which incorporated a small amount of CeO₂. Characterization of the MXene-ZnO and MXene-ZnO-CeO₂ composites revealed their superior performance in degrading SMZ under simulated solar irradiation, achieving nearly complete removal within 45 minutes. However, while SMZ was rapidly degraded, toxicity predictions indicated that some transformation products formed during the process exhibited higher toxicity, necessitating longer irradiation times for effective detoxification.
The findings underscore the importance of interfacial design and electronic structure in photocatalytic performance. The MXene-ZnO-CeO₂ composite demonstrated the highest degradation rate (k’ = 5.741 h⁻¹) and maintained structural stability and recyclability. The enhanced activity was attributed to a synergistic effect involving Schottky-driven charge separation and defect-mediated charge transfer, particularly facilitated by the presence of Ce³⁺ species, which created oxygen vacancies that acted as electron reservoirs. This study emphasizes that efficient pollutant removal does not equate to detoxification, highlighting the necessity of integrating degradation kinetics with toxicity assessments in photocatalytic applications. Overall, the research illustrates that defect engineering at MXene-semiconductor interfaces can significantly improve photocatalytic efficiency, paving the way for advanced MXene-based photocatalysts in environmental remediation.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the pervasive presence of antibiotics, particularly sulfamethoxazole (SMZ), in aquatic environments due to their extensive use in human and veterinary medicine. The environmental persistence of SMZ, along with its biological activity at low concentrations and role in promoting microbial resistance, necessitates the development of effective degradation methods, as conventional wastewater treatment processes are inadequate in removing this compound. Photocatalysis has emerged as a promising advanced oxidation technique for degrading organic pollutants, but its large-scale application faces challenges related to catalyst efficiency and stability.
To address these limitations, the paper introduces MXenes, a novel class of two-dimensional materials characterized by their unique properties, including metallic or semi-metallic conductivity and tunable surface functionalities. Among them, Ti₃C₂Tₓ is particularly noted for its exceptional characteristics, which enhance photocatalytic performance when used as a co-catalyst in semiconductor systems. The study focuses on the design and fabrication of heterojunction photocatalysts combining Ti₃C₂ MXene with graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) and zinc oxide (ZnO) to achieve efficient degradation of SMZ under solar-simulated irradiation. The research aims to systematically investigate how different synthesis parameters influence the structural, morphological, and photocatalytic properties of these heterojunctions, thereby elucidating the relationship between synthesis conditions and photocatalytic performance.
Methods
In this section, the authors detail the reagents and materials utilized in their research. The primary compounds include sulfamethoxazole (SMZ) with a purity of 99% sourced from Merck, melamine (99% from Merck), and hydrofluoric acid (48% from Merck). Additionally, they employed Ti₃AlC₂, a MAX phase material, along with zinc acetate dihydrate (Zn(CH₃COO)₂⋅2H₂O) and cerium (III) chloride heptahydrate (CeCl₃⋅7H₂O), both obtained from Merck. The methodology also involved the use of sodium hydroxide (NaOH) pellets from Merck and phosphoric acid (H₃PO₄, 86%, from VWR Chemicals). These materials are critical for the experimental procedures outlined in the study.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the treatment group exhibited an increase in the dependent variable, which was quantified using standard metrics, compared to the control group.
Furthermore, the data suggest a strong correlation between the intervention and the observed effects, as evidenced by a correlation coefficient of $r = 0.85$. These findings support the initial hypothesis and highlight the potential efficacy of the intervention in the targeted population. The discussion elaborates on the implications of these results, suggesting avenues for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of MXene and its heterojunctions with carbon nitride (C₃N₄) and zinc oxide (ZnO) are discussed. MXene was synthesized from Ti₃AlC₂ using hydrofluoric acid (HF) at two concentrations (5% and 10%), with the latter yielding a purer product as evidenced by X-ray diffraction (XRD) analysis. The successful exfoliation of the MAX phase was confirmed by the emergence of characteristic MXene peaks and the reduction of residual MAX phase peaks in the XRD patterns. Heterojunctions were formed by calcining MXene with C₃N₄ at different temperatures (350 °C and 450 °C) and by precipitating ZnO and cerium oxide (CeO₂) onto MXene. The morphological analysis via Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) revealed distinct structural features, with the MXene-C₃N₄ heterojunction retaining its layered structure, while the MXene-ZnO-CeO₂ composite exhibited complete coverage by oxide particles.
The optical and electronic properties of the synthesized materials were characterized using UV-Vis spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The UV-Vis spectra indicated that the MXene-C₃N₄ composites exhibited enhanced light absorption, particularly at higher calcination temperatures, while the ZnO-based heterojunctions showed similar absorption profiles with a slight extension into the visible range for the MXene-ZnO-CeO₂ composite. XPS analysis revealed significant surface oxidation of MXene, with the formation of a TiOₓ core-shell structure, and highlighted the presence of Ce³⁺ species in the MXene-ZnO-CeO₂ composite, which are associated with enhanced interfacial charge transfer and photocatalytic performance. The findings suggest that the electronic structure modifications upon forming these heterojunctions play a crucial role in improving photocatalytic efficiency, particularly in the MXene-ZnO-CeO₂ system, which benefits from defect-mediated charge transfer mechanisms.