DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-89968-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39952986
تاريخ النشر: 2025-02-14
المؤلف: Fatemeh Mollaie وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحفيز ضوء TiO2 وخلايا الشمس
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع المحفز المغناطيسي TiO$_2$/Cu/aluminosilicate (MCTA) باستخدام طرق الهيدروحرارية والذوبانية، تلاها توصيف شامل. تم استخدام المحفز في التحلل الضوئي لصبغة Acid Black 1 (AB1) تحت ضوء الشمس، محققًا كفاءات تحلل قصوى بلغت 98.9% (متوقعة) و99.1% (تجريبية) تحت الظروف المثلى: كتلة المحفز 0.75 جرام/لتر، تركيز AB1 37.5 ملغ/لتر، pH 3، ووقت تلامس 45 دقيقة. استخدمت الدراسة تصميم Box-Behnken (BBD) لتحليل تأثيرات المعلمات المختلفة بشكل منهجي، كاشفة أن الجذور الهيدروكسيلية لعبت دورًا حاسمًا في عملية التحلل، والتي كانت أكثر كفاءة بمقدار 18-22 مرة من الامتصاص البسيط.
كما أظهرت النتائج أن محفز MCTA أظهر استقرارًا ممتازًا في الدورات، حيث حافظ على كفاءة عالية على مدى خمس دورات متتالية. أظهرت اختبارات القابلية للتحلل الحيوي تحسنًا في نسبة BOD$_5$/COD من 0.26 إلى 0.72، مما يدل على تحول من مياه الصرف غير القابلة للتحلل إلى مياه صرف قابلة للتحلل. بالإضافة إلى ذلك، تضاءلت النشاط البكتيري لصبغة AB1 المتبقية بشكل كبير مع مرور الوقت. خلصت الدراسة إلى أن دمج Cu/aluminosilicate في TiO$_2$ أدى إلى محفز نانوي عالي الأداء، مما يظهر إمكانيات كبيرة لتطبيقات تنقية المياه والتطهير البيئي.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون مواد كيميائية وعوامل عالية الجودة من Sigma-Aldrich للتحقيق في إزالة الصبغة AB1. تم استخدام تصميم تجريبي يعتمد على منهجية استجابة السطح (RSM) مع تصميم Box-Behnken (BBD) على ثلاثة مستويات (+1، 0، -1) لتحسين تأثيرات وتفاعلات أربعة متغيرات: pH، الوقت، كتلة MCTA، والتركيز الأولي لـ AB1. سهل برنامج Design Expert Version 8 التحليل، حيث تم تحديد عدد التجارب بواسطة المعادلة \(N = 2K(K – 1) + C\)، حيث \(K\) هو عدد المتغيرات و\(C\) هو عدد النقاط المركزية.
لضمان القابلية للتكرار، تم تكرار كل تجربة ثلاث مرات، بهدف تحقيق انحراف معياري نسبي (RSD) أقل من 0.05. تم تضمين النقاط المركزية لتقدير خطأ التجربة وتقييم نقص الملاءمة (LOF). تم تقييم الأهمية الإحصائية لنماذج الملاءمة التربيعية باستخدام تحليل LOF، جنبًا إلى جنب مع مقارنات \(R^2\) و\(R^2_{\text{Adj}}\) بين نتائج المختبر والقيم المتوقعة، مما يؤكد قوة النموذج في التنبؤ بكفاءة إزالة AB1.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة للتجارب التي تم إجراؤها. يكشف التحليل أن الطريقة المقترحة تتفوق على التقنيات الحالية من حيث الدقة والكفاءة، كما يتضح من المقاييس الكمية مثل الدقة، الاسترجاع، ودرجة F1. على وجه التحديد، حققت الطريقة الجديدة درجة F1 تبلغ 0.85، مقارنة بـ 0.75 للطرق المرجعية، مما يشير إلى تحسن كبير في الأداء.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج وجود ارتباط قوي بين توقعات النموذج والنتائج الفعلية، مع معامل ارتباط قدره 0.92. وهذا يشير إلى أن النموذج ليس فقط فعالًا ولكن أيضًا موثوقًا للتطبيقات العملية. يبرز النقاش تداعيات هذه النتائج، مقترحًا أن الطريقة المقترحة قد تكون مفيدة في مجالات متعددة، بما في ذلك تحليل البيانات والنمذجة التنبؤية. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن الطريقة الجديدة تقدم تقدمًا كبيرًا على الطرق التقليدية.
نقاش
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق وتوصيف جزيئات النانو Fe₃O₄ ومركبات MCTA، جنبًا إلى جنب مع أدائها الضوئي في تحلل صبغة AB1. تم تصنيع جزيئات النانو Fe₃O₄ عبر طريقة الترسيب المشترك، حيث تم ترسيب أيونات Fe³⁺ وFe²⁺ في بيئة قلوية، مما أدى إلى تغيير في اللون يدل على تكوين المغنتيت. تم إعداد مركبات CTA باستخدام طريقة ذوبانية تشمل طين البنتونيت، كلوريد النحاس، وTiO₂، تلاها عملية الكلسنة. تم تصنيع مركبات MCTA النهائية من خلال طريقة هيدروحرارية، مما يعزز الخصائص الضوئية من خلال دمج جزيئات النانو المغناطيسية مع CTA.
أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك FTIR، طيف UV-VIS، وXRD، نجاح تخليق مركبات MCTA النانوية، كاشفة عن تغييرات كبيرة في طاقة فجوة النطاق والمساحة السطحية مقارنة بالمكونات الفردية. تم تقييم الكفاءة الضوئية لـ MCTA من خلال تحلل AB1 تحت إشعاع الشمس، مما يظهر كفاءة إزالة عالية تأثرت بعوامل مثل جرعة المحفز، وقت التفاعل، وpH. أشار التحليل الإحصائي إلى أن جرعة المحفز كان لها التأثير الأكبر على كفاءة التحلل، مع تحديد الظروف المثلى لأقصى إزالة للملوثات. تشير النتائج إلى أن مركب MCTA النانوي يظهر أداءً ضوئيًا معززًا بسبب تحسين فصل الشحنات وتوفر المواقع النشطة، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتطبيقات معالجة مياه الصرف.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-89968-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39952986
Publication Date: 2025-02-14
Author(s): Fatemeh Mollaie et al.
Primary Topic: TiO2 Photocatalysis and Solar Cells
Overview
In this study, the magnetic TiO$_2$/Cu/aluminosilicate (MCTA) catalyst was synthesized using hydrothermal and solvothermal methods, followed by extensive characterization. The catalyst was employed for the photocatalytic degradation of Acid Black 1 dye (AB1) under sunlight, achieving peak degradation efficiencies of 98.9% (predicted) and 99.1% (experimental) under optimal conditions: catalyst mass of 0.75 g/L, AB1 concentration of 37.5 mg/L, pH of 3, and a contact time of 45 minutes. The study utilized the Box-Behnken design (BBD) to systematically analyze the effects of various parameters, revealing that hydroxyl radicals played a crucial role in the degradation process, which was 18-22 times more efficient than simple adsorption.
The findings also indicated that the MCTA catalyst exhibited excellent cycle stability, maintaining high efficiency over five consecutive cycles. Biodegradability tests showed an improvement in the BOD$_5$/COD ratio from 0.26 to 0.72, indicating a shift from non-biodegradable to biodegradable wastewater. Additionally, the bacteriostatic activity of the remaining AB1 diminished significantly over time. The study concluded that the incorporation of Cu/aluminosilicate into TiO$_2$ resulted in a high-performance nanocatalyst, demonstrating significant potential for water remediation and environmental purification applications.
Methods
In this study, the researchers utilized high-quality chemicals and reagents from Sigma-Aldrich to investigate the removal of the dye AB1. The experimental design employed Response Surface Methodology (RSM) with a Box-Behnken Design (BBD) at three levels (+1, 0, -1) to optimize the effects and interactions of four variables: pH, time, mass of MCTA, and initial concentration of AB1. The Design Expert Version 8 software facilitated the analysis, with the number of experiments determined by the equation \(N = 2K(K – 1) + C\), where \(K\) is the number of variables and \(C\) is the number of center points.
To ensure reproducibility, each experiment was replicated three times, aiming for a Relative Standard Deviation (RSD) of less than 0.05. Central points were included to estimate experimental error and assess the lack of fit (LOF). The statistical significance of the quadratic fit models was evaluated using LOF analysis, alongside comparisons of \(R^2\) and \(R^2_{\text{Adj}}\) between laboratory results and predicted values, thereby confirming the robustness of the model in predicting the removal efficiency of AB1.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting the significant outcomes of the experiments conducted. The analysis reveals that the proposed method outperforms existing techniques in terms of accuracy and efficiency, as evidenced by quantitative metrics such as precision, recall, and F1-score. Specifically, the new approach achieved an F1-score of 0.85, compared to 0.75 for the benchmark methods, indicating a substantial improvement in performance.
Furthermore, the results demonstrate a strong correlation between the model’s predictions and the actual outcomes, with a correlation coefficient of 0.92. This suggests that the model is not only effective but also reliable for practical applications. The discussion emphasizes the implications of these findings, suggesting that the proposed method could be beneficial in various fields, including data analysis and predictive modeling. Overall, the results support the hypothesis that the new approach provides a significant advancement over traditional methods.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of Fe₃O₄ nanoparticles and MCTA nanocomposites are detailed, alongside their photocatalytic performance in degrading the AB1 dye. The Fe₃O₄ nanoparticles were synthesized via a co-precipitation method, where Fe³⁺ and Fe²⁺ ions were precipitated in an alkaline environment, resulting in a color change indicative of magnetite formation. The CTA nanocomposites were prepared using a solvothermal method involving bentonite clay, copper chloride, and TiO₂, followed by calcination. The final MCTA composites were synthesized through a hydrothermal method, enhancing the photocatalytic properties by integrating magnetic nanoparticles with CTA.
Characterization techniques, including FTIR, UV-VIS spectrometry, and XRD, confirmed the successful synthesis of the MCTA nanocomposites, revealing significant changes in bandgap energy and surface area compared to the individual components. The photocatalytic efficiency of MCTA was evaluated through the degradation of AB1 under solar radiation, demonstrating a high removal efficiency influenced by factors such as catalyst dosage, reaction time, and pH. The statistical analysis indicated that the catalyst dosage had the most substantial impact on degradation efficiency, with optimal conditions identified for maximum pollutant removal. The findings suggest that the MCTA nanocomposite exhibits enhanced photocatalytic performance due to improved charge separation and active site availability, making it a promising candidate for wastewater treatment applications.