DOI: https://doi.org/10.62755/gsm.2026.01
تاريخ النشر: 2026-05-05
المؤلف: Quratul Aini وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تخليق وأداء المحفزات الضوئية من أكسيد الزنك (ZnO) المخلوط بالنيوبوم (Nb)، مع التركيز على تركيزات Nb المتغيرة (0-6%) من خلال طريقة الهيدروحرارية. أكدت تحليل حيود الأشعة السينية أن دمج Nb حافظ على الهيكل السداسي الوارتزيت لأكسيد الزنك مع تغييرات طفيفة في معلمات الشبكة، مما يشير إلى تخديم استبدالي محدود. كشفت التقييمات الشكلية أن تخديم Nb المعتدل حسن من بنية الجسيمات وقلل من التكتل. تم اختبار النشاط الضوئي عن طريق تحلل السيبروفلوكساسين (CIP) واللون الأزرق الميثيليني (MB) تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية، محققًا كفاءات تحلل تصل إلى 93.09% لـ CIP و92.03% لـ MB في أنظمة ملوثات فردية. في سيناريوهات الملوثات المختلطة، انخفضت الكفاءات قليلاً، حيث وصلت إلى 87.57% لـ CIP و84.08% لـ MB، وذلك بسبب التفاعلات التنافسية.
أظهر التحليل الحركي سلوك تفاعل من الدرجة الأولى الزائفة، مع ثوابت معدل ظاهرة تبلغ حوالي $k \approx 0.0218 \, \text{min}^{-1}$ لـ CIP و$k \approx 0.0199 \, \text{min}^{-1}$ لـ MB في عينة Nb4-ZnO المخلوطة بشكل مثالي، مقارنةً بـ ZnO النقي. تؤكد النتائج على أهمية تركيز المخدر Nb في تعزيز الخصائص الهيكلية والإلكترونية لأكسيد الزنك، مما يحسن كفاءته الضوئية في معالجة مياه الصرف الصحي متعددة الملوثات. بشكل عام، أظهر Nb4-ZnO أداءً ضوئيًا مستقرًا، خاصة في بيئات الملوثات المعقدة، مما يبرز إمكانيته لتطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي العملية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على القضية الملحة لإطلاق الملوثات المتعددة في البيئات المائية بسبب الأنشطة الصناعية، مع التركيز بشكل خاص على السيبروفلوكساسين (CIP) واللون الأزرق الميثيليني (MB). يشكل CIP، وهو مضاد حيوي شائع، مخاطر كبيرة على النظم البيئية، بينما يعد MB، وهو صبغة شائعة في صناعات النسيج والورق، مقاومًا لطرق التحلل الحيوي التقليدية. تتطلب التعايش بين هذه الملوثات تطوير استراتيجيات فعالة للتخفيف، حيث غالبًا ما تكون طرق المعالجة التقليدية غير كافية من حيث الكفاءة وقد تؤدي إلى تلوث ثانوي.
تؤكد الورقة على إمكانيات عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs)، وخاصة الأكسدة الضوئية، كحل واعد لتحلل الملوثات المستمرة. تم تحديد أكسيد الزنك (ZnO) كأحد المحفزات الضوئية الرائدة بسبب خصائصه المواتية، على الرغم من أن أدائه يعوقه فجوة نطاق واسعة وإعادة تركيب سريعة لحاملات الشحنة. لتعزيز فعاليته الضوئية، تستكشف الدراسة تخديم النيوبوم (Nb) كاستراتيجية لتعديل الهيكل الإلكتروني لـ ZnO وتحسين ديناميات الشحنة. تهدف الدراسة إلى التحقيق بشكل منهجي في تأثير تركيزات Nb المتغيرة على الخصائص الهيكلية والضوئية لجسيمات ZnO التي تم تخليقها هيدروحرارياً، مع تقييم فعاليتها في تحلل CIP وMB. تسعى هذه الدراسة إلى تقديم رؤى حول تحسين استراتيجيات المخدرات لإزالة الملوثات المتعددة بكفاءة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام نترات الزنك سداسية الماء (Zn(NO₃)₂•6H₂O) كمصدر للزنك، بينما تم استخدام بولي فينيل بيروليدون (PVP) واليوريا كعامل سطحي ووكيل ترسيب، على التوالي. تم استخدام أكسالات هيدرات نيوبات الأمونيوم (V) كمصدر لمخدر النيوبوم. لتقييم النشاط الضوئي، تم استخدام السيبروفلوكساسين (CIP) واللون الأزرق الميثيليني كملوثات نموذجية. تم استخدام جميع المواد الكيميائية كما هي دون تنقية إضافية.
شمل توصيف المواد التي تم تخليقها تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) الذي تم إجراؤه على جهاز قياس الحيود Rigaku SmartLab SE Basic، باستخدام إشعاع Cu Kα (λ = 1.5406 Å) على نطاق 2θ من 10° إلى 80° بمعدل مسح يبلغ 2°/دقيقة. تم حساب متوسط حجم البلورات باستخدام معادلة شيرر. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح مع مطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (SEM-EDS) على مجهر JEOL JSM-6510 لتقييم الشكل السطحي والتركيب العنصري للعناصر.
نتائج
تؤكد نتائج الدراسة أن جميع العينات التي تم تخليقها من أكسيد الزنك المخلوط بالنيوبوم (Nb-ZnO) تحافظ على هيكل بلوري سداسي وارتزيت، كما يتضح من أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) التي تتماشى مع المرجع القياسي (PDF#36-1451). من الجدير بالذكر أن إدخال النيوبوم يؤدي إلى تحول طفيف في قمة حيود (101) نحو قيم 2θ أقل، مما يشير إلى تغييرات في معلمات الشبكة دون ظهور مراحل بلورية إضافية. تكشف صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن تخديم Nb يغير شكل جسيمات ZnO، حيث تؤدي التركيزات المثلى (Nb2-ZnO وNb4-ZnO) إلى هياكل أدق وأكثر مسامية، بينما يؤدي التخديم المفرط (Nb6-ZnO) إلى تكتلات غير منتظمة بسبب تشوه الشبكة وزيادة الطاقة السطحية.
تظهر التجارب الضوئية أنه بينما لا يعزز تخديم Nb بشكل كبير معدلات التحلل الذاتية للسيبروفلوكساسين (CIP) واللون الأزرق الميثيليني (MB)، فإنه يحافظ على نشاط مماثل، خاصة عند تركيز Nb4-ZnO. كانت كفاءات التحلل لـ CIP وMB تحت إشعاع UV هي الأعلى لـ Nb4-ZnO، مما يشير إلى أن إدخال Nb المعتدل يحسن الأداء الضوئي من خلال تعزيز ديناميات حاملات الشحنة. ومع ذلك، يؤدي التخديم المفرط لـ Nb إلى تقليل النشاط بسبب تكوين مراكز إعادة التركيب. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن تخديم Nb يمكن أن يثبت النشاط الضوئي في أنظمة الملوثات المختلطة، مما يبرز إمكانيته لتطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي، على الرغم من عدم وجود تحسينات كبيرة مقارنةً بـ ZnO غير المخلوط.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق محفزات ضوئية نانوية من ZnO المخلوط بالنيوبوم (Nb-ZnO) باستخدام طريقة هيدروحرارية مع نسب تخديم نيوبوم متغيرة من 0% و2% و4% و6%. شمل التخليق كتلة ثابتة من نترات الزنك سداسية الماء كمصدر للزنك، مع استخدام اليوريا وبولي فينيل بيروليدون كعامل ترسيب ووكيل سطحي، على التوالي. حافظت المواد الناتجة من Nb-ZnO على الهيكل السداسي الوارتزيت لأكسيد الزنك، مع تقليل التكتل وتحسين تجانس الميكروهيكل.
تم تقييم الأداء الضوئي للمواد التي تم تخليقها من خلال تحلل السيبروفلوكساسين (CIP) واللون الأزرق الميثيليني (MB) تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية. أشارت النتائج إلى أن جميع العينات حققت كفاءات تحلل عالية، تصل إلى ~92% لـ MB و~93% لـ CIP في أنظمة ملوثات فردية بعد 120 دقيقة. في سيناريوهات الملوثات المختلطة، انخفضت الكفاءات قليلاً إلى ~82-84% لـ MB و~86-87% لـ CIP، وذلك بسبب التفاعلات التنافسية. كشف التحليل الحركي عن سلوك من الدرجة الأولى الزائفة، حيث أظهر Nb4-ZnO الأداء الأكثر استقرارًا عبر الظروف. تؤكد هذه النتائج على أهمية تحسين تخديم Nb لتعزيز فعالية المحفزات الضوئية المعتمدة على ZnO لمعالجة مياه الصرف الصحي، خاصة في بيئات الملوثات المعقدة.
DOI: https://doi.org/10.62755/gsm.2026.01
Publication Date: 2026-05-05
Author(s): Quratul Aini et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
This study investigates the synthesis and photocatalytic performance of niobium (Nb)-doped zinc oxide (ZnO) photocatalysts, focusing on varying Nb concentrations (0-6%) through a hydrothermal method. X-ray diffraction analysis confirmed that Nb incorporation maintained the hexagonal wurtzite structure of ZnO with minimal changes in lattice parameters, indicating limited substitutional doping. Morphological assessments revealed that moderate Nb doping improved particle structure and reduced agglomeration. The photocatalytic activity was tested by degrading ciprofloxacin (CIP) and methylene blue (MB) under UV light, achieving degradation efficiencies of up to 93.09% for CIP and 92.03% for MB in single pollutant systems. In mixed pollutant scenarios, efficiencies decreased slightly, reaching 87.57% for CIP and 84.08% for MB, attributed to competitive interactions.
Kinetic analysis demonstrated pseudo-first-order reaction behavior, with apparent rate constants of approximately $k \approx 0.0218 \, \text{min}^{-1}$ for CIP and $k \approx 0.0199 \, \text{min}^{-1}$ for MB in the optimally doped Nb4-ZnO sample, comparable to pristine ZnO. The findings underscore the significance of Nb dopant concentration in enhancing the structural and electronic properties of ZnO, thereby optimizing its photocatalytic efficiency for multi-pollutant wastewater remediation. Overall, Nb4-ZnO exhibited stable photocatalytic performance, particularly in complex pollutant environments, highlighting its potential for practical wastewater treatment applications.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the pressing issue of multi-pollutant release into aquatic environments due to industrial activities, particularly focusing on ciprofloxacin (CIP) and methylene blue (MB). CIP, a common antibiotic, poses significant risks to ecosystems, while MB, a dye prevalent in textile and paper industries, is resistant to conventional biodegradation methods. The coexistence of these pollutants necessitates the development of effective remediation strategies, as traditional treatment methods often fall short in efficiency and may lead to secondary pollution.
The paper emphasizes the potential of advanced oxidation processes (AOPs), particularly photocatalytic oxidation, as a promising solution for degrading persistent pollutants. Zinc oxide (ZnO) is identified as a leading photocatalyst due to its favorable properties, although its performance is hindered by a broad band gap and rapid recombination of charge carriers. To enhance its photocatalytic efficacy, the study explores niobium (Nb) doping as a strategy to modify ZnO’s electronic structure and improve charge dynamics. The research aims to systematically investigate the impact of varying Nb concentrations on the structural and photocatalytic properties of hydrothermally synthesized ZnO nanoparticles, ultimately assessing their effectiveness in degrading CIP and MB. This study seeks to provide insights into optimizing dopant strategies for efficient multi-pollutant removal.
Methods
In this study, zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO₃)₂•6H₂O) was utilized as the zinc precursor, while polyvinylpyrrolidone (PVP) and urea served as the surfactant and precipitating agent, respectively. Ammonium niobate(V) oxalate hydrate was employed as the niobium dopant source. For photocatalytic evaluation, ciprofloxacin (CIP) and methylene blue were used as model pollutants. All chemicals were utilized as received without additional purification.
The characterization of the synthesized materials involved X-ray diffraction (XRD) analysis conducted on a Rigaku SmartLab SE Basic diffractometer, utilizing Cu Kα radiation (λ = 1.5406 Å) over a 2θ range of 10° to 80° at a scanning rate of 2°/min. The average crystallite size was calculated using the Scherrer equation. Additionally, scanning electron microscopy coupled with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) on a JEOL JSM-6510 microscope was employed to assess the surface morphology and elemental composition of the samples.
Results
The results of the study confirm that all synthesized samples of niobium-doped zinc oxide (Nb-ZnO) maintain a hexagonal wurtzite crystal structure, as evidenced by X-ray diffraction (XRD) patterns that align with the standard reference (PDF#36-1451). Notably, the introduction of niobium leads to a slight shift in the (101) diffraction peak towards lower 2θ values, indicating changes in lattice parameters without the emergence of additional crystalline phases. Scanning electron microscopy (SEM) images reveal that Nb doping alters the morphology of ZnO particles, with optimal concentrations (Nb2-ZnO and Nb4-ZnO) resulting in finer, more porous structures, while excessive doping (Nb6-ZnO) leads to irregular agglomerates due to lattice distortion and increased surface energy.
Photocatalytic experiments demonstrate that while Nb doping does not significantly enhance the intrinsic degradation rates of ciprofloxacin (CIP) and methylene blue (MB), it maintains comparable activity, particularly at the Nb4-ZnO concentration. The degradation efficiencies for CIP and MB under UV irradiation were highest for Nb4-ZnO, suggesting that moderate Nb incorporation optimizes photocatalytic performance by enhancing charge carrier dynamics. However, excessive Nb leads to reduced activity due to the formation of recombination centers. Overall, the findings indicate that Nb doping can stabilize photocatalytic activity in mixed-pollutant systems, highlighting its potential for wastewater treatment applications, albeit without substantial improvements over undoped ZnO.
Discussion
In this study, Nb-doped ZnO (Nb-ZnO) nanophotocatalysts were synthesized using a hydrothermal method with varying niobium doping ratios of 0%, 2%, 4%, and 6%. The synthesis involved a consistent mass of zinc nitrate hexahydrate as the zinc precursor, with urea and polyvinylpyrrolidone serving as the precipitating agent and surfactant, respectively. The resulting Nb-ZnO materials maintained the hexagonal wurtzite structure of ZnO, exhibiting reduced agglomeration and improved microstructural homogeneity.
The photocatalytic performance of the synthesized materials was evaluated through the degradation of Ciprofloxacin (CIP) and methylene blue (MB) under UV light. Results indicated that all samples achieved high degradation efficiencies, with up to ~92% for MB and ~93% for CIP in single-pollutant systems after 120 minutes. In mixed pollutant scenarios, efficiencies slightly decreased to ~82-84% for MB and ~86-87% for CIP, attributed to competitive interactions. Kinetic analysis revealed pseudo-first-order behavior, with Nb4-ZnO showing the most stable performance across conditions. These findings underscore the significance of optimizing Nb doping to enhance the efficacy of ZnO-based photocatalysts for wastewater treatment, particularly in complex pollutant environments.