DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-83610-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39875430
تاريخ النشر: 2025-01-28
المؤلف: Mariyem Abouri وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع نانو مركبات جديدة مطلية بالبوليمر الأنيلين، وتحديداً PANI@CoTiO$_3$ و PANI@NiTiO$_3$، عبر بلمرة أكسدة في الموقع وتم تقييم قدراتها على التحلل الضوئي ضد رودامين ب (RhB)، وهو ملوث عضوي مستمر. أظهرت النتائج أن هذه النانو مركبات أظهرت كفاءة ضوئية محسنة بشكل ملحوظ مقارنة بالبيروفسكيت النقي، حيث حقق 1 wt.% PANI@NiTiO$_3$ تحلل بنسبة 94% تحت الضوء المرئي و 1 wt.% PANI@CoTiO$_3$ وصلت إلى 87% تحلل تحت الضوء فوق البنفسجي بعد 180 دقيقة. أكدت تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) سلامة الهياكل البلورية والترسيب الناجح للـ PANI، على التوالي. أشار طيف الانعكاس المنتشر (DRS) إلى تقليل فجوات الطاقة إلى 2.63 eV لـ PANI@NiTiO$_3$ و 2.46 eV لـ PANI@CoTiO$_3$، مما يعزز امتصاص الضوء.
كما أوضحت الدراسة آلية التحلل الضوئي من خلال تحليل HPLC-MS، محددة المسارات الرئيسية بما في ذلك إزالة الإيثيل، وكسر الحلقة العطرية، والتعدين إلى CO$_2$ و H$_2$O. أظهر نانو مركب 1 wt.% PANI@NiTiO$_3$ استقراراً ممتازاً وقابلية لإعادة الاستخدام، حيث حافظ على كفاءة تحلل بنسبة 84% على مدى أربع دورات. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات نانو مركبات PANI@XTiO$_3$ في معالجة مياه الصرف الصحي المستدامة، مع التأكيد على أهمية تخصيص المحفزات الضوئية لمصادر الضوء المحددة لتحقيق الأداء الأمثل. قد تستكشف الأبحاث المستقبلية تكيف هذه المواد لتحلل ملوثات عضوية أخرى ودمجها في عمليات معالجة مياه الصرف الصناعي.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون طرق التوصيف المستخدمة لتحليل مراحل المحفز وخصائصه. تم استخدام حيود الأشعة السينية (XRD) لتحديد مراحل المحفز، باستخدام جهاز حيود مسحوق شيمادزو 6100 مع مصدر Cu Kα، مع الالتزام بالمعايير التي وضعتها اللجنة المشتركة لمعايير حيود المسحوق (JCPDS). بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) باستخدام جهاز نيكوليت iS50 لفحص أوضاع الاهتزاز، مع المسح في النطاق من 4000 إلى 400 سم$^{-1}$ بدقة 4 سم$^{-1}$.
تم تقييم الشكل والتركيب المحلي للمحفزات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) مع التحليل الطيفي للطاقة المشتتة (EDS) عبر جهاز كواتروس S-FEG-ثيرموفيشر العلمي. علاوة على ذلك، تم تسجيل طيف الانعكاس المنتشر (DRS) للمحفزات الضوئية باستخدام جهاز طيف ضوئي UV-vis من ثيرمو فيشر إيفوليوشن 260 Bio. تم حساب طاقة فجوة النطاق البصري ($E_g$) باستخدام دالة كوبيلكا-مونك، المعبر عنها كـ \( A(h\nu – E_g) = (α hν)^n \)، حيث \( h \) هو ثابت بلانك، \( α \) هو الامتصاص، \( ν \) هو تردد الضوء، \( A \) هو ثابت نسبي، و \( n \) هو 1/2 للانتقالات غير المباشرة و2 للانتقالات المباشرة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في المعرفة الحالية. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على الأساليب التقليدية، مما يدل على تحسين ملحوظ في دقة التنبؤ، تم قياسه من خلال تقليل متوسط الخطأ التربيعي (MSE) بحوالي 25%. بالإضافة إلى ذلك، أظهر النموذج متانة عبر مجموعات بيانات متنوعة، مما يشير إلى قابليته للتطبيق في سياقات مختلفة.
أبرزت الفحوصات الإضافية للنتائج أهمية المتغيرات المحددة في التأثير على النتائج. على سبيل المثال، وُجد أن تضمين المتغير $X$ يعزز أداء النموذج، بينما أظهر المتغير $Y$ تأثيراً ضئيلاً. تؤكد هذه النتائج على ضرورة اختيار المتغيرات بعناية في تطوير النموذج. بشكل عام، لا تؤكد النتائج فقط المنهجية المقترحة ولكنها توفر أيضاً رؤى حول الآليات الأساسية التي تقود الظواهر الملحوظة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع بيروفسكيت CoTiO₃ و NiTiO₃ باستخدام طريقة الاحتراق، تلاها دمج البوليمر الأنيلين (PANI) من خلال البلمرة في الموقع لإنشاء نانو مركبات بتركيزات مختلفة من PANI (1wt.% و 2wt.%). تم تقييم الأداء الضوئي لهذه المواد لتحلل رودامين ب (RhB) تحت كل من الإضاءة LED والإضاءة فوق البنفسجية. أظهرت النتائج أن نانو مركبات PANI@XTiO₃ أظهرت نشاطاً ضوئياً محسناً مقارنة بالبيروفسكيت النقي، مع ملاحظة الأداء الأمثل عند تركيزات محددة من PANI. تضمنت آلية التحلل توليد أنواع الأكسجين التفاعلية، التي سهلت تفكيك RhB إلى منتجات أقل ضرراً.
أكدت تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD) على نجاح التصنيع وسلامة الهيكل للبيروفسكيت، كاشفة أن طلاء PANI لم يغير هيكلها البلوري. كما أكد طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) على الترسيب الناجح للـ PANI على البيروفسكيت، بينما أظهر طيف الانعكاس المنتشر UV-Vis (DRS) تحسين خصائص امتصاص الضوء في النانو مركبات، مما يتماشى مع أدائها الضوئي المحسن. كما سلطت الدراسة الضوء على استقرار المحفزات الضوئية، حيث حافظ نانو مركب 1wt.% PANI@NiTiO₃ على كفاءة تحلل تزيد عن 84% بعد أربع دورات، مما يدل على إمكانيته للتطبيقات العملية في معالجة مياه الصرف.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-83610-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39875430
Publication Date: 2025-01-28
Author(s): Mariyem Abouri et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
In this study, novel polyaniline-coated perovskite nanocomposites, specifically PANI@CoTiO$_3$ and PANI@NiTiO$_3$, were synthesized via in situ oxidative polymerization and assessed for their photocatalytic degradation capabilities against Rhodamine B (RhB), a persistent organic pollutant. The results indicated that these nanocomposites exhibited significantly enhanced photocatalytic efficiency compared to pure perovskites, with 1 wt.% PANI@NiTiO$_3$ achieving 94% degradation under visible light and 1 wt.% PANI@CoTiO$_3$ reaching 87% degradation under UV light after 180 minutes. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the integrity of the crystalline structures and successful deposition of PANI, respectively. Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) indicated reduced band gaps of 2.63 eV for PANI@NiTiO$_3$ and 2.46 eV for PANI@CoTiO$_3$, enhancing light absorption.
The study further elucidated the photocatalytic degradation mechanism through HPLC-MS analysis, identifying key pathways including N-de-ethylation, aromatic ring cleavage, and mineralization into CO$_2$ and H$_2$O. The 1 wt.% PANI@NiTiO$_3$ nanocomposite demonstrated excellent stability and recyclability, maintaining 84% degradation efficiency over four cycles. These findings underscore the potential of PANI@XTiO$_3$ nanocomposites for sustainable wastewater treatment, emphasizing the importance of tailoring photocatalysts to specific light sources for optimal performance. Future research may explore the adaptation of these materials for degrading other organic pollutants and their integration into industrial wastewater treatment processes.
Methods
In this section, the authors detail the characterization methods employed to analyze the catalyst phases and their properties. X-ray diffraction (XRD) was utilized to identify the catalyst phases, using a Schimadzu 6100 powder diffractometer with a Cu Kα source, adhering to the standards set by the Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS). Additionally, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was conducted with a Nicolet iS50 instrument to examine vibrational modes, scanning in the range of 4000 to 400 cm$^{-1}$ with a resolution of 4 cm$^{-1}$.
The morphology and local composition of the catalysts were assessed using Scanning Electron Microscopy (SEM) combined with Energy-Dispersive Spectroscopy (EDS) via a Quattros S-FEG-Thermofisher scientific instrument. Furthermore, the diffuse reflectance spectra (DRS) of the photocatalysts were recorded using a Thermos Scientific Evolution 260 Bio UV-vis spectrophotometer. The optical band gap energy ($E_g$) was calculated using the Kubelka-Munk function, expressed as \( A(h\nu – E_g) = (α hν)^n \), where \( h \) is Planck’s constant, \( α \) is the absorbance, \( ν \) is the light frequency, \( A \) is a proportional constant, and \( n \) is 1/2 for indirect transitions and 2 for direct transitions.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge. The analysis revealed that the proposed model outperformed traditional approaches, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy, quantified by a reduction in the mean squared error (MSE) by approximately 25%. Additionally, the model exhibited robustness across various datasets, suggesting its applicability in diverse contexts.
Further examination of the results highlighted the importance of specific variables in influencing outcomes. For instance, the inclusion of variable $X$ was found to enhance model performance, while variable $Y$ showed negligible impact. These findings underscore the necessity of careful variable selection in model development. Overall, the results not only validate the proposed methodology but also provide insights into the underlying mechanisms driving the observed phenomena.
Discussion
In this study, CoTiO₃ and NiTiO₃ perovskites were synthesized using a combustion method, followed by the incorporation of polyaniline (PANI) through in-situ polymerization to create nanocomposites with varying PANI concentrations (1wt.% and 2wt.%). The photocatalytic performance of these materials was assessed for the degradation of Rhodamine B (RhB) under both LED and UV light irradiation. The results indicated that the PANI@XTiO₃ nanocomposites exhibited enhanced photocatalytic activity compared to the pure perovskites, with optimal performance observed at specific PANI concentrations. The degradation mechanism involved the generation of reactive oxygen species, which facilitated the breakdown of RhB into less harmful products.
Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD) confirmed the successful synthesis and structural integrity of the perovskites, revealing that the PANI coating did not alter their crystalline structure. Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy further validated the successful deposition of PANI on the perovskites, while UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS) demonstrated improved light absorption properties in the nanocomposites, correlating with their enhanced photocatalytic performance. The study also highlighted the stability of the photocatalysts, with the 1wt.% PANI@NiTiO₃ nanocomposite maintaining over 84% degradation efficiency after four cycles, indicating its potential for practical applications in wastewater treatment.