DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34901-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41611813
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: Shimaa R. Abdel-Kader وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد المتعددة المغناطيسية والمواد ذات الصلة
نظرة عامة
تدرس الدراسة تأثير درجة حرارة التكليس على خصائص جزيئات BiFe₀.₉Cu₀.₁O₃ التي تم تصنيعها عبر طريقة الاحتراق الحلولي. أظهرت تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أن المادة التي تم تصنيعها كانت غير متبلورة، بينما أدى التكليس إلى ظهور طور BiFeO₃ الرومبي الأساسي وطور Bi₂Fe₄O₉ الأرثورمبي الثانوي. زاد متوسط حجم البلورات مع زيادة درجة الحرارة، حيث بلغ ذروته عند 700 °م (27.53 نانومتر) قبل أن ينخفض عند 800 °م بسبب التكتل. كانت مساحة السطح المحددة أعلى عند 500 °م، حيث وصل فجوة الطاقة البصرية إلى الحد الأدنى 3.30 إلكترون فولت، وهو ما يُعزى إلى تحسين البلورية وتقليل العيوب.
أظهرت القياسات المغناطيسية سلوكًا فيرومغناطيسي عند درجة حرارة الغرفة، حيث بلغت مغنطة التشبع ذروتها عند 600 °م (4.108 إيمو/غ) بسبب قمع هياكل اللولب الدوراني ووجود فراغات الأكسجين، قبل أن تنخفض عند درجات حرارة أعلى. كانت الأداء الضوئي التحفيزي لتفكك الميثيلين الأزرق مثاليًا للعينة التي تم تكليسها عند 500 °م، حيث حققت 72.75% من التفكك في 160 دقيقة. يرتبط هذا الأداء بمزيج من حجم البلورات الصغيرة، ومساحة السطح المحددة العالية، وفجوة الطاقة المواتية، وتركيز فراغات الأكسجين المثالي، مما يعزز النشاط الضوئي التحفيزي بشكل جماعي. تشير النتائج إلى أن التكليس عند 500 °م هو الأمثل لإنتاج جزيئات BFO المدعمة بالنحاس مع خصائص هيكلية وبصرية ونسيجية محسنة لتطبيقات ضوئية فعالة.
مقدمة
تعتبر الأصباغ مساهمًا رئيسيًا في تلوث المياه، مما يحفز البحث المكثف في معالجتها. تم اقتراح طرق بيولوجية وكيميائية متنوعة، حيث ظهرت المركبات شبه الموصلة التي تظهر نشاطًا ضوئيًا تحفيزيًا كحلول فعالة بشكل خاص. من بين هذه المركبات، تم دراسة أكاسيد المعادن الثنائية مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) على نطاق واسع لخصائصها الضوئية التحفيزية. ومع ذلك، فإن فجوة الطاقة الكبيرة نسبيًا لـ TiO₂ (3-3.5 إلكترون فولت) تحد من فعاليتها تحت الضوء المرئي، مما يشكل مخاطر صحية. بالمقابل، توفر أكاسيد المعادن الثلاثية، مثل بيزموت الحديد (BiFeO₃)، استقرارًا محسنًا في البيئات المائية وتمتلك فجوة طاقة أضيق (~2.1 إلكترون فولت)، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات الضوئية التحفيزية.
يظهر بيزموت الحديد، وهو مادة بيروفسكايت متعددة الفيرومغناطيسية، إمكانات كبيرة في معالجة البيئة وتطبيقات الطاقة المستدامة، بما في ذلك تفكك الأصباغ، وتنقية الهواء، ومعالجة مياه الصرف الصحي، وتوليد الهيدروجين، جميعها باستخدام الضوء المرئي. لقد جذبت خصائصه الفريدة أيضًا اهتمامًا في التقنيات متعددة الوظائف مثل الإلكترونيات المغناطيسية والإلكترونيات الضوئية. يتميز الهيكل البلوري لـ BiFeO₃ بشكل بيروفسكايت رومبي مشوه مع مجموعة نقاط R3C عند درجة حرارة الغرفة. تعتبر جزيئات BiFeO₃ ملحوظة بشكل خاص لخصائصها الكهربائية والبصرية والمغناطيسية، مما يضعها في موضع مناسب لتطبيقات متنوعة في أجهزة الذاكرة، والاتصالات، والتقنيات الذكية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع جزيئات BiFe₀.₉Cu₀.₁O₃ باستخدام طريقة الاحتراق الحلولي مع مواد كيميائية عالية النقاء. تضمنت عملية التصنيع إذابة كميات ستوكيومترية من نترات البيزموت (III) خماسية الماء، ونترات الحديد (III) غير المائية، ونترات النحاس (II) ثلاثية الماء، واليوريا، والجلايسين في الماء المقطر، مع إجراء تعديلات بسبب الذوبانية الضعيفة لنترات البيزموت. بعد دمج محاليل نترات المعادن وإضافة محلول وقود مختلط من الجلايسين واليوريا، تم تحريك الخليط عند 120 °م لمدة 20 ساعة. أدى تبخر الماء إلى حدوث تفاعل احتراق ذاتي، مما أسفر عن مسحوق مسبق ناعم، والذي تم تكليسه بعد ذلك عند درجات حرارة 500 و600 و700 و800 °م لمدة 3 ساعات لإنتاج المنتجات البلورية النهائية.
تم تقييم النشاط الضوئي التحفيزي لجزيئات BiFeO₃ المصنعة المدعمة بـ 0.1% من النحاس من خلال مراقبة تفكك صبغة الميثيلين الأزرق (MB) تحت الضوء المرئي، وتحديدًا خلال التعرض لأشعة الشمس الطبيعية في يوليو وأغسطس 2024. تضمنت الإجراءات القياسية توزيع 50 ملغ من المحفز في 100 مل من محلول MB بتركيز 15 ملغ/لتر، تلاها فترة تحريك مظلم لمدة 60 دقيقة لتحقيق توازن الامتصاص-الإزالة. تم إجراء اختبارات الكواشف لتحديد الأنواع التفاعلية الرئيسية في عملية التفكك، باستخدام الإيزوبروبانول للجذور الهيدروكسيلية (•OH)، وحمض الإيثيلينديامين رباعي الأسيتيك ثنائي الصوديوم (EDTA-2Na) للثقوب (h⁺)، ونترات الفضة (AgNO₃) للجذور الفائقة (•O₂⁻). ثم تم إضاءة خليط التفاعل، وتم أخذ عينات في فترات زمنية محددة لقياس تركيز MB باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. يناقش أهمية هذه النتائج فيما يتعلق بالفرضيات المطروحة في بداية البحث. تشير البيانات إلى وجود علاقة واضحة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات.
علاوة على ذلك، توضح المناقشة تداعيات النتائج، موضحة إياها في سياق أوسع من الأدبيات الحالية. تتناول القيود المحتملة للدراسة وتقترح سبلًا للبحث المستقبلي، مع التأكيد على الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف للتحقق من النتائج الحالية وتوسيعها. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مما يعزز الفهم للموضوع المطروح.
المناقشة
يسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على تصنيع وتوصيف بيزموت الحديد (BFO) المدعوم بأيونات النحاس (Cu²⁺) لتطبيقات ضوئية تحفيزية. تؤكد الدراسة على مزايا BFO كعامل ضوئي تحفيزي، بما في ذلك فجوة الطاقة الصغيرة، وعدم السمية، والاستجابة الجيدة للضوء المرئي. تم استكشاف طرق تصنيع متنوعة، بما في ذلك تقنيات الميكروويف-الهيدروحرارية والترسيب المشترك، مع تسليط الضوء على طريقة الاحتراق الحلولي لكفاءتها في إنتاج BFO بخصائص مرغوبة. تشير الأبحاث إلى أن التعديل بـ Cu²⁺ يعزز النشاط الضوئي التحفيزي من خلال تقليل معدلات إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب وزيادة عمر حاملي الشحنة، خاصة عند التعديل بنسبة 0.1 مول%.
تم استخدام تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح بتأثير الحقل (FE-SEM)، وطيف الإلكترون الضوئي للأشعة السينية (XPS) لتحليل الخصائص الهيكلية، والشكلية، والكيميائية لـ BFO المصنع. تكشف النتائج أن النشاط الضوئي التحفيزي الأمثل، الذي يحقق حوالي 72.75% من تفكك صبغة الميثيلين الأزرق (MB) تحت إشعاع الضوء المرئي، يحدث في العينات التي تم تكليسها عند 500 °م. يُعزى ذلك إلى مزيج مواتٍ من حجم البلورات الصغيرة، ومساحة السطح المحددة العالية، وهيكل العيوب المناسب. تؤكد النتائج على أهمية درجة حرارة التكليس وتركيز التعديل في تشكيل الخصائص الضوئية التحفيزية لـ BFO، مع تداعيات للبحث المستقبلي والتطبيقات في معالجة البيئة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34901-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41611813
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): Shimaa R. Abdel-Kader et al.
Primary Topic: Multiferroics and related materials
Overview
The study investigates the impact of calcination temperature on the properties of BiFe₀.₉Cu₀.₁O₃ nanoparticles synthesized via a solution combustion method. X-ray diffraction (XRD) analysis indicated that the as-synthesized material was amorphous, while calcination resulted in a primary rhombohedral BiFeO₃ phase and a secondary orthorhombic Bi₂Fe₄O₉ phase. The average crystallite size increased with temperature, peaking at 700 °C (27.53 nm) before decreasing at 800 °C due to agglomeration. The specific surface area was highest at 500 °C, where the optical band gap reached a minimum of 3.30 eV, attributed to enhanced crystallinity and defect reduction.
Magnetic measurements showed ferromagnetic behavior at room temperature, with saturation magnetization peaking at 600 °C (4.108 emu/g) due to the suppression of spin spiral structures and the presence of oxygen vacancies, before declining at higher temperatures. Photocatalytic performance for methylene blue degradation was optimal for the sample calcined at 500 °C, achieving 72.75% degradation in 160 minutes. This performance is linked to a combination of small crystallite size, high specific surface area, favorable band gap, and optimal oxygen vacancy concentration, which collectively enhance photocatalytic activity. The findings suggest that calcination at 500 °C is optimal for producing Cu-doped BFO nanoparticles with enhanced structural, optical, and textural properties for effective photocatalytic applications.
Introduction
Dyes are a major contributor to water pollution, prompting extensive research into their treatment. Various biological and chemical methods have been proposed, with semiconductor compounds exhibiting photocatalytic activity emerging as particularly effective solutions. Among these, binary metal oxides like titanium dioxide (TiO₂) have been widely studied for their photocatalytic properties. However, TiO₂’s relatively large band gap (3-3.5 eV) restricts its effectiveness under visible light, which poses health risks. In contrast, ternary metal oxides, such as bismuth ferrite (BiFeO₃), offer improved stability in aqueous environments and possess a narrower band gap (~2.1 eV), making them more suitable for photocatalytic applications.
Bismuth ferrite, a multiferroic perovskite material, demonstrates significant potential for environmental remediation and sustainable energy applications, including dye degradation, air purification, wastewater treatment, and hydrogen generation, all utilizing visible light. Its unique properties have also attracted interest in multifunctional technologies such as spintronics and optoelectronics. The crystal structure of BiFeO₃ is characterized by a distorted rhombohedral perovskite form with the point group R3C at room temperature. The nanoparticles of BiFeO₃ are particularly notable for their electrical, optical, and magnetic properties, positioning them for diverse applications in memory devices, communication, and smart technologies.
Methods
In this study, BiFe₀.₉Cu₀.₁O₃ nanoparticles were synthesized using a solution combustion method with high-purity reagents. The synthesis involved dissolving stoichiometric amounts of bismuth (III) nitrate pentahydrate, iron (III) nitrate nonahydrate, copper (II) nitrate trihydrate, urea, and glycine in distilled water, with adjustments made for the poor solubility of bismuth nitrate. After combining the metal nitrate solutions and adding a mixed fuel solution of glycine and urea, the mixture was stirred at 120 °C for 20 hours. The evaporation of water led to a self-propagating combustion reaction, resulting in a fine precursor powder, which was subsequently calcined at temperatures of 500, 600, 700, and 800 °C for 3 hours to produce the final crystalline products.
The photocatalytic activity of the synthesized BiFeO₃ nanoparticles doped with 0.1% Cu was assessed by monitoring the degradation of methylene blue (MB) dye under visible light, specifically during natural sunlight exposure in July and August 2024. A standard procedure involved dispersing 50 mg of the catalyst in 100 mL of a 15 mg/L MB solution, followed by a 60-minute dark stirring period to achieve adsorption-desorption equilibrium. Scavenger tests were conducted to identify the primary reactive species in the degradation process, utilizing isopropanol for hydroxyl radicals (•OH), ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt (EDTA-2Na) for holes (h⁺), and silver nitrate (AgNO₃) for superoxide radicals (•O₂⁻). The reaction mixture was then illuminated, and aliquots were taken at specific intervals to measure MB concentration using a UV-Vis spectrophotometer.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. It discusses the significance of these results in relation to the hypotheses posed at the outset of the research. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of the findings, situating them within the broader context of existing literature. It addresses potential limitations of the study and suggests avenues for future research, emphasizing the need for further exploration to validate and expand upon the current results. Overall, the findings contribute valuable insights into the field, advancing understanding of the topic at hand.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the synthesis and characterization of bismuth ferrite (BFO) doped with copper ions (Cu²⁺) for photocatalytic applications. The study emphasizes the advantages of BFO as a photocatalyst, including its small band gap, non-toxicity, and good visible light response. Various synthesis methods, including microwave-hydrothermal and co-precipitation techniques, have been explored, with the solution combustion method being highlighted for its efficiency in producing BFO with desirable properties. The research indicates that doping with Cu²⁺ enhances photocatalytic activity by reducing electron-hole recombination rates and increasing charge carrier lifetimes, particularly when doped at 0.1 mol%.
Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were employed to analyze the structural, morphological, and chemical properties of the synthesized BFO. The results reveal that the optimal photocatalytic activity, achieving approximately 72.75% degradation of methylene blue (MB) dye under visible light irradiation, occurs in samples calcined at 500 °C. This is attributed to a favorable combination of small crystallite size, high specific surface area, and an appropriate defect structure. The findings underscore the importance of calcination temperature and doping concentration in tailoring the photocatalytic properties of BFO, with implications for future research and applications in environmental remediation.