تحلل ضوئي فعال للملوثات الصبغية النسيجية باستخدام نيتريد الكربون الجرافيتي المعرض للحرارة (TE–g–C3N4) Efficient photocatalytic degradation of textile dye pollutants using thermally exfoliated graphitic carbon nitride (TE–g–C3N4)

المجلة: Scientific Reports، المجلد: 14، العدد: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-52688-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38280908
تاريخ النشر: 2024-01-27

تحلل ضوئي فعال للملوثات الصبغية النسيجية باستخدام نيتريد الكربون الجرافيتي المعرض للحرارة (TE–g–C3N4)

سيلفاجاناباثي غانيشان ثانغافيلو كوكولناثان شانموغام سوماتي وأرونكومار بالانيابان

نيتريد الكربون الجرافيتي )، تم الإبلاغ عن أن محفز ضوئي عضوي له خصائص مفيدة لاستخدامه في تطبيقات معالجة مياه الصرف. ومع ذلك، ، في شكلها الكتلي، وُجد أنها تعاني من كفاءة ضعيفة في التحلل الضوئي بسبب قيودها الذاتية مثل مساحة السطح المحدودة وسرعة إعادة اتحاد أزواج الإلكترون والثقب. في هذه الدراسة، قمنا بضبط الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكتلة عن طريق التقشير الحراري المباشر (TE-g-C3 ) ودرسوا كفاءتها في التحلل الضوئي مقابل الأصباغ النسيجية الشائعة مثل الميثيلين الأزرق (MB) والبرتقال الميثيلي (MO) والرودامين B (RhB). كفاءات التحلل لـ MB وMO وRhB هي ، و على التوالي في 60 دقيقة من إشعاع الضوء فوق البنفسجي. زادت كفاءة التحلل مع زيادة درجة حرارة التقشير. تم توصيف المحفزات المحضرة باستخدام FTIR وXRD وFE-SEM وEDAX وBET وUV-DRS. في تحليل BET، TE أظهرت العينات زيادة في المساحة السطحية عند مقارنتها بالكتلة ( ). علاوة على ذلك، TE-g- كان لديه كفاءة امتصاص أعلى بمقدار 2.98 مرة من الكميات الكبيرة. أظهرت دراسات التقاط الجذور الحرة أن الجذور الفائقة الأكسدة لعبت دورًا مهمًا في التحلل الضوئي للأصباغ، عند مقارنتها بجذر الهيدروكسيل (OH) والثقوب الناتجة عن الضوء. طيف انبعاث الفوتولومينسنس (PL) وطيف طيف الامتصاص الكهربائي (EIS) لـ TE-g-C أشار إلى انخفاض معدل إعادة اتحاد أزواج الإلكترونات والثقوب وزيادة في نقل الشحنة الناتج عن الضوء على التوالي. علاوة على ذلك، فإن TE-g-C3 تم العثور عليها لتتمتع باستقرار ممتاز لمدة تصل إلى 5 دورات مع انخفاض طفيف فقط في النشاط من إلى . أثبتت هذه النتائج أن كان محفزًا ضوئيًا ممتازًا لإزالة وتحلل صبغات النسيج من مياه الصرف.
في السنوات الأخيرة، ساهمت العولمة، وتقدم التكنولوجيا، إلى جانب تطور تفضيلات الموضة لدى البشر، بشكل كبير في زيادة تصنيع المنسوجات والملابس. مقارنة بالعقد الماضي، يشتري المستهلكون الملابس مرتين في الوقت ويحتفظون بها فقط لنصف الوقت. إن هذا الإنتاج الضخم من المنتجات النسيجية واستخدامها لفترة أقصر يخلق نفايات نسيجية وملابس بشكل كبير بعد استخدام المستهلك. كما أن هذه الصناعات تستخدم أصباغ صناعية كعوامل تلوين. تتعرض صناعات النسيج والموضة لانتقادات عالمية بسبب تأثيرها البيئي الضار (تلوث المياه، توليد النفايات، والبصمة الكربونية) على مدار سلسلة التوريد الخاصة بها. على سبيل المثال، نهر الغانغا في الهند يشهد تدفقًا يوميًا يبلغ حوالي 250 مليون لتر من المياه الصناعية نتيجة التعدي البشري في المناطق المحيطة. الأصباغ المستخدمة في صناعة النسيج مستقرة، قابلة للذوبان في الماء بشكل كبير، سامة، مسرطنة، وغير قابلة للتحلل البيولوجي. . هذه الأصباغ تعيق نطاق اختراق ضوء الشمس وتؤدي إلى تقليل عملية التمثيل الضوئي مما يسبب عدم توفر الأكسجين للكائنات المائية. علاوة على ذلك، فإن تناول أو استنشاق
تشير التقارير إلى أن الأصباغ السامة تسبب التهابات الجهاز التنفسي، وتهيج الجلد، وتهيج العينين. . كما أن بعض الأصباغ تتحول إلى مركبات مسرطنة في ظروف لاهوائية، مما يؤدي إلى ظهور حالات صحية متنوعة، بما في ذلك، على سبيل المثال لا الحصر، السرطان، الربو، الإسهال، الغثيان، وأشكال متنوعة من ردود الفعل التحسسية. أكثر الطرق استخدامًا لإزالة هذه الأصباغ الخطرة هي الامتزاز، والامتزاز الحيوي، والترشيح، وتبادل الأيونات، والتخثر، وعملية الأكسدة المتقدمة (AOP). في الآونة الأخيرة، تم استخدام طرق معالجة مياه الصرف الصحي المعتمدة على التحفيز الضوئي بشكل واسع في إزالة التلوث البيئي بسبب مزاياها مثل الصداقة للبيئة، وانخفاض تكاليف الصيانة، وسهولة التشغيل، وارتفاع الكفاءة. المحفزات الضوئية هي عادة مواد شبه موصلة تولد أزواج من الإلكترونات والثقوب عند تعرضها لمصدر ضوء. وهذا بدوره يتفاعل مع الأكسجين المذاب والرطوبة الموجودة في محلول الصبغة لإنتاج أنواع أيونية تفاعلية. ثم تقوم هذه الأنواع الأيونية التفاعلية بتحويل الأصباغ العضوية السامة إلى مواد غير سامة أو ملوثات ثانوية. تُستخدم عدة أكاسيد معدنية، ومعادن نبيلة، وكربيدات معدنية، وأشباه موصلات قائمة على الكبريت كعوامل تحفيز ضوئي لإزالة الملوثات من البيئة. . ومع ذلك، فإن هذه المواد الحفازة الضوئية القائمة على المعادن لها قيود مثل التكلفة العالية، والكفاءة الكمية المنخفضة، وتوافرها الأقل، والأهم من ذلك توليد ملوثات معدنية عند التخلص من هذه المحفزات. وهذا يؤدي إلى سيناريو حيث استراتيجيات العلاج والمكونات تلوث البيئة مرة أخرى. وبالتالي، هناك حاجة ملحة إلى محفز خالٍ من المعادن بكفاءة حفازة ضوئية أفضل. .
نيتريد الكربون الجرافيتي هو أحد أشباه الموصلات الخالية من المعادن التي تتمتع بخصائص فيزيائية كيميائية وضوئية ممتازة. الإلكترونات التي يتم توليدها من خلال التحفيز الضوئي في أظهرت إمكانيات حرارية ديناميكية أعلى لتسهيل اختزال المركبات العضوية المتنوعة إلى و . ومع ذلك، في شكلها الكتلي كان لها عدة عيوب، مثل مساحة السطح المحدودة ومعدل إعادة التركيب المتسارع. هناك تقارير في الأدبيات حيث أداء التحفيز الضوئي للكتل تم زيادتها من خلال صنع مركبات مع أكاسيد المعادن، ونقاط الكم، وتصنيع هياكل التوصيل غير المتجانسة . ومع ذلك، في الطرق المذكورة أعلاه، كان عادة ما يتم دمجه مع مواد أخرى باستخدام تفاعلات متعددة الخطوات، مما زاد من التكلفة وكذلك التعقيد. وبالتالي، فإن تقشير استخدام الطرق الفيزيائية (مثل المعالجة الحرارية) أو الطرق الكيميائية (مثل النقش الحمضي) كان خيارًا جذابًا لتحسين أدائها الضوئي الحفاز، بشكل رئيسي من خلال زيادة مساحتها السطحية بسبب تكوين هذه الهياكل المسامية. لقد قام باحثون مختلفون بإنشاء هياكل مسامية عالية وورقية الشكل. لتحسين الأداء الضوئي التحفيزي من خلال تقشير البروتون أو التحلل المائي الحراري؛ ومع ذلك، كانت هذه الإجراءات معقدة ومكلفة. . من بينها، كانت عملية التقشير الحراري هي الخيار الأكثر صداقة للبيئة الذي يتم استكشافه حاليًا.
عملية التقشير الحراري لـ كانت طريقة مباشرة لتخليق محفز أظهر مسامية وكفاءة ممتازتين، مما جعله مناسبًا للعديد من التطبيقات البيئية (الشكل 1). من الأدبيات المنشورة سابقًا، كان التقشير الحراري لـ تمت تخليقه بواسطة باحثين مختلفين باستخدام سوائل سابقة ومعايير مختلفة لتطبيقات مثل إزالة أكاسيد النيتروجين و إنتاج في العمل الحالي، أبلغنا عن تحضير عن طريق التقشير الحراري في الهواء الثابت وتم فحص كفاءته في الامتزاز والتحلل الضوئي ضد أكثر صبغات الأقمشة شيوعًا مثل الميثيلين الأزرق (MB) والبرتقال الميثيلي (MO) ومحاليل صبغة الرودامين B (RhB) تحت إشعاعات الضوء فوق البنفسجي. أخيرًا، قمنا أيضًا بالتحقيق في الآليات التي من خلالها قامت هذه المحفزات الضوئية المقشورة حراريًا بتحلل الصبغات باستخدام تجارب امتصاص الجذور الحرة بالإضافة إلى حساب إمكانيات النطاق لتأكيد الأنواع النشطة المشاركة في التفاعل. على حد علمنا الحالي، هناك نقص في الأبحاث الموثقة المتعلقة بالتحلل الضوئي لصبغات الأقمشة من خلال استخدام TE- باستخدام إشعاع الضوء فوق البنفسجي، الذي تناولناه من خلال هذا العمل.

قسم المواد التجريبية

ميلامين تم شراءه من شركة SD Fine Chemicals Ltd، مومباي، الهند. الميثيلين الأزرق (MB) ( رودامين البرتقالي الميثيلي (MO) الأمونيا
الشكل 1. مخطط يوضح إعداد وآليته الضوئية التحفيزية.
أوكسالات وكحول الأيزوبروبيل (IPA) كلوريد البوتاسيوم (KCL) تم شراءها من SRL Chemical، مومباي؛ بارا-بنزوكينون (P-BQ) كبريتات الصوديوم تم شراءه من سيغما ألدريتش، بنغالور. جميع المواد الكيميائية المستخدمة في الدراسة كانت من درجة نقاء تحليلية وتم استخدامها دون الخضوع لعمليات تنقية إضافية. تم إجراء جميع الدراسات باستخدام مياه ميلي-كيو.

تركيب

تحضير الكمية الكبيرة
الجزء الأكبر تمت عملية التخليق باستخدام الميلاتونين وفقًا للبروتوكول . بطريقة مختصرة، تم وضع كمية قدرها 10 جرام من الميلاتونين في بوتقة مغلقة مصنوعة من الألومينا. تم رفع درجة حرارة البوتقة إلى في في الدقيقة. تم الاحتفاظ بالعينة في الحالة المذكورة أعلاه لمدة 4 ساعات في الهواء الساكن، وبعد ذلك تم تبريد العينات للحصول على كتل ملونة باللون الأصفر. ثم تم طحن الكتل للحصول على مساحيق ناعمة باستخدام هاون من العقيق.
إعداد
تي-إي-جي-سي3 تم تصنيع العينات باستخدام عملية تسخين مادة g-C3N4 الكتلية الموجودة مسبقًا داخل قبة ألومينا مفتوحة، مع استخدام ظروف درجات حرارة مختلفة. ، و لمدة ساعتين بمعدل في الدقيقة. تم تسمية العينات الناتجة بـ يتوافق مع ، و على التوالي.

توصيف

تم استخدام اختبارات حيود الأشعة السينية (XRD) للتحقق من إنتاج ونقاء المواد المُركبة باستخدام جهاز باناليتيكال X’Pert. تم تحديد المجموعات الوظيفية المميزة الموجودة في المواد المُركبة باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) Agilent Cary 630. تم إجراء تحليل مساحة سطح العينات باستخدام تقنية بروناوير-إيميت-تيلر (BET) باستخدام محلل Bellsorp Max II. تم فحص مورفولوجيا السطح والتحليل العنصري لجميع المواد بواسطة مجهر إلكتروني مسح ميداني (FESEM)-Thermo Fisher FEI-Quanta 250 FEG. تم استخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية-الأشعة تحت الحمراء JASCO V-670 للحصول على الخصائص البصرية مثل طيف الامتصاص وفجوة الطاقة. تم الكشف عن تركيز الأصباغ المتبقية الموجودة في النظام بعد تجربة التحلل الضوئي باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية (Agilent Cary 3500). تم التحقيق في خصائص الفلورية (PL) للمواد باستخدام مطياف الفلورية HITACHI F-7000.

تجارب التحفيز الضوئي

النشاط الضوئي المحفز لـ TE-g-C تمت دراسة العينات باستخدام أصباغ الأقمشة العضوية الأكثر استخدامًا: ، و MO وفقًا للبروتوكول في الأدبيات باختصار، من تم إضافة العينة إلى 50 مل من محاليل الصبغة (10 جزء في المليون) وتم تحريكها لمدة 30 دقيقة في ظروف مظلمة لتحقيق توازن الامتصاص/الإ desorption. بعد ذلك، خضعت العينات لتحريك إضافي داخل مفاعل ضوئي أثناء تعرضها لأشعة UV (بطول موجي 365 نانومتر وقوة إخراج 125 واط)، من أجل تقييم قدرة المحفزات على تحلل الصبغة. في فترات زمنية محددة، تم استخراج 3 مل من العينة من المحلول وخضعت للطرد المركزي لعزل المحفز. تم قياس كمية الصبغة في المحلول باستخدام مطياف UV-Vis. تم تحديد كفاءة الامتصاص والتحلل للصبغات باستخدام قمم الامتصاص القصوى التي تظهرها الصبغات: MB- 664 نانومتر، RhB- 554 نانومتر، وMO- 464 نانومتر في غياب ووجود إشعاع الضوء. تم إجراء دراسات التقاط الجذور الحرة باستخدام أفضل محفز أداء. ضد الأصباغ الثلاثة. تضمنت الإجراءات التجريبية إضافة عوامل حجز محددة، وهي أكسالات الأمونيوم (AO)، الكحول الإيزوبروبيلي (IPA)، والبارا-بنزوكوينون (P-BQ)، من أجل التقاط الثقوب الناتجة عن الضوء. الجذور الهيدروكسيلية وجذور السوبر أكسيد الأنواع، على التوالي.
تم تقييم نسبة التحلل لكل صبغة وثابت معدل تفاعل المحفز الضوئي باستخدام المعادلات التالية.
أين، تركيز الصبغة عند الزمن التركيز الأولي للصبغة عند ثابت المعدل .

القياسات الكهروكيميائية

تم إجراء تحليل موت-شوتكي لتأكيد قيمة نطاق التوصيل. باستخدام كمحل إلكتروليتي كمرجع كهربائي، والبلاatinum كقطب مضاد بتردد ثابت قدره 1 كيلوهرتز. تم إجراء تحليل EIS لتحديد قدرة نقل الشحنة للمحفز باستخدام محلول يحتوي على و 0.1 م كلوريد البوتاسيوم. من أجل تصنيع الأقطاب، تم توزيع العامل المساعد بشكل متساوٍ باستخدام جهاز السونكشن في حمام لمدة 30 دقيقة. بعد السونكشن، تم إسقاط محلول متجانس على القطب الكهربائي المطبوعة بالشاشة (SPCE) وتجفيفه في درجة حرارة الغرفة.

النتائج والمناقشة

نتائج حيود الأشعة السينية البودرة
شكل 2أ أظهر نمط حيود الأشعة السينية لجميع العينات المحضرة العينات. جميع العينات أظهرت نمط XRD مشابه يتطابق مع JCPDS رقم 87-1526، والذي يتوافق مع نيتريد الكربون الجرافيتي. أظهر نمط الحيود قمتين بارزتين حوالي و ، مما يدل على الهيكلية
الشكل 2. (أ) نتائج حيود الأشعة السينية للمواد المسحوقة بالجملة ، (ب) طيف FTIR للعينات المحضرة.
ترتيب حلقات التري-س-ترازاين والتكرار الدوري لوحدات الهيبتازين داخل المستوى، على التوالي. أظهرت العينات التي تم تقشيرها حرارياً قممًا أوسع مع انخفاض في الشدة مقارنةً بنظيراتها الكتلية، مما قد يعكس تقليل المسافة بين الطبقات في العينات المقشرة. . وبالتالي، انخفضت قوة ذروة (002) للعينة بشكل مستمر، مما يشير إلى تقشر قابل للمقارنة لـ كان الانخفاض في شدة القمم مرتبطًا بانخفاض في البلورية مع زيادة في المساحة السطحية والتمدد. تعتبر المساحة السطحية والتمدد عاملين رئيسيين مسؤولين عن كفاءة المحفز الضوئي. علاوة على ذلك، فإن التحولات الزاوية الأعلى للمواد المتفككة حرارياً عينات [ ( ) ( ) ، عند مقارنتها بالكمية الكبيرة جملة يمكن أن يُعزى ذلك مرة أخرى إلى تقليل المسافة بين الطبقات تم حساب حجم البلورات في العينة باستخدام معادلة شيرر: حيث D هو حجم البلورة بالنانومتر (nm) يمثل العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى لقمة مستوى (101)، يمثل الطول الموجي لإشعاع الأشعة السينية (0.15418 نانومتر)، وK هو ثابت شيرر، الذي يُفترض أن له قيمة تم إدراج حجم البلورات المحسوب للمواد المحفزة التي تم تحضيرها في الجدول 1.

تحليل FTIR

تمت دراسة المجموعات الوظيفية والترابط الكيميائي للمواد المحضرة بواسطة مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، كما هو موضح في الشكل 2b. هنا، تمتلك جميع العينات المحضرة طيفًا مميزًا مشابهًا. القمم النموذجية المنسوبة إلى كانت موجودة في جميع العينات المحضرة. القمة الحادة الملحوظة عند نُسب إلى وضع التنفس لدورات ثلاثي-س-ترازاين غير المتجانسة. علاوة على ذلك، تم ملاحظة الأطياف عند تصوير تمدد نقوش في العينات المأخوذة من السطح المجموعات وجزيئات الماء الممتصة . بشكل خاص، المنطقة من 1200 إلى يتوافق مع اهتزازات التمدد لـ و الحلقات غير المتجانسة . أخيرًا، تشير التشابهات بين تمدد نطاق العينة إلى أن التقشير الحراري لا يحدث أي تغييرات كبيرة في .

تحليل XPS

تم إجراء تحليل XPS لتحليل الحالة الكيميائية التفصيلية للمحفز المُعد. كما لوحظ من الشكل 3a، فإن طيف C 1 s للكتلة تمت ملاءمتها مع طاقات الربط البالغة 288.2 إلكترون فولت و 284.9 إلكترون فولت، والتي يمكن أن تُعزى إلى المواقع الجرافيتية الموجودة في مصفوفة من ذرة كربون مهجنة مرتبطة بالنيتروجين في الحلقة العطرية ) ، السندات و الروابط على التوالي. طيف الكتلة 1s في الشكل 3ب أظهرت أيضًا قمم طاقة الربط الملائمة عند 398.7 إلكترون فولت و400.15 إلكترون فولت والتي تُنسب إلى مهجن رابطة في حلقة التريازين و سندات طيف XPS لـ يتم عرض s و N 1 s في الأشكال 3 ج، د. و تصل طاقة الربط للرابطة إلى ذروتها في طيف C 1s
عينة مساحة السطح حجم المسام ) حجم البلورات (نانومتر) فجوة الطاقة (eV) التركيب العنصري
نسبة الكربون (وزن%) N (نسبة الوزن%)
ج- جملة ٥.٠٣٥ 0.028 9.0 2.54 ٣٤.٠٦ 65.94
9.189 0.08 ٥.٧ ٢.٥٩ ٣٦.٠٠ ٦٤.٠٠
١٣.٤٥ 0.092 5.3 2.61 ٣٧.٠٠ ٦٣.٠٠
٤٨.٢٠٣ 0.32 ٤.٢ 2.7 ٣٩.٣ 60.7
الجدول 1. المساحة السطحية، حجم المسام، حجم البلورات، فجوة الطاقة، والتركيب العنصري للمواد الكتلية والم exfoliated .
الشكل 3. طيف XPS للكتلة و 550. (أ) طيف C1s للكتلة (ب) طيف N1s للكتلة ، (ج) طيف C1s لـ طيف N1s لـ .
تم العثور عليها عند 288.34 إلكترون فولت و 285.341. و تم نسب N 1 s في النطاق من 398.86 eV إلى 401.1 eV مما أكد وجود حلقات الترازاين و ذرة الكربون المهجنة المرتبطة بالنيتروجين في الحلقات العطرية. وهذا أكد أيضًا أن TE-g- لم تخضع لأي تغييرات هيكلية كيميائية في وجود المعالجة الحرارية. طيف المسح الاستقصائي للكتلة و مُعَروضة في الشكل S1.

تحليل الشكل

توضح الشكل 4 الشكل البنيوي للعينات المحضرة التي أكدت تأثير درجة الحرارة على التقشر الحراري للمواد المحضرة. في حالة الكتلة تمت ملاحظة رقائق مسطحة ومجمعة وغير مسامية، بينما بالنسبة للرقائق المتقشرة، تم العثور على طبقات أرق بسطح خشن وفصل طبقي مع زيادة درجة حرارة التقشير كما هو موضح في الشكل. كانت هناك تقارير مماثلة في الأدبيات عن تلك المتقشرة. أكد تحليل EDAX وجود الكربون والنيتروجين ونسبهما المعنية كما هو موضح في الشكل S2. أظهرت خريطة العناصر للعينات المحضرة الموضحة في الشكل S3 توزيعًا متجانسًا موحدًا. علاوة على ذلك، تم إدراج التركيب العنصري لجميع المحفزات الضوئية المحضرة في الجدول 1.

تحليل المساحة السطحية

تظهر الشكل 5 تم تحديد أيزوتروبيات الامتزاز-الامتزاز للمواد المحفزة الضوئية التي تم إنتاجها. وقد تم تحديد أن العينات الملاحظة تتوافق مع نوع الأيزوتروبي IV وأظهرت حلقة هيسترسيس H3، وهو ما يتماشى مع النتائج الموصوفة في الأدبيات الحالية. . وعلاوة على ذلك، أكدت أن جميع العينات المعدة هي مواد ذات امتصاص متعدد الطبقات وطبقة واحدة وهي مواد مسامية متوسطة. المساحة السطحية المحددة ( وزادت المسامية للعينات المحضرة مع زيادة درجة حرارة المعالجة الحرارية. المساحة السطحية المحددة لـ جملة هم و مع توزيع حجم المسام في نطاق (الشكل S4). قد يُعزى الزيادة في المساحة السطحية عند زيادة درجة حرارة التقشير إلى خشونة السطح، والتي لوحظت في تحليل FESEM للعينات التي تم تقشيرها حرارياً، كما أنها تتماشى مع نتائج XRD. علاوة على ذلك، فإن المساحة السطحية المحددة وتم أيضًا جدول حجم المسام في الجدول 1.

دراسة بصرية

تم فحص الخصائص البصرية للمواد المحفزة الضوئية المنتجة باستخدام مطيافية الانعكاس المنتشر للأشعة فوق البنفسجية (UV-DRS). تُظهر طيف الامتصاص البصري للعينات المحضرة في الشكل 6a. جميع الـ
الشكل 4. صور FESEM للعينات المُركبة: (أ) بالجملة، (ب) ، (ج) ، (د) محفز ضوئي
الشكل 5. (أ) رسوم امتصاص-إزالة الامتصاص لـ (أ) الكتلة و، (ب-د) مقشر .
الشكل 6. (أ) طيف الامتصاص للأشعة فوق البنفسجية والمرئية الجملة و . (b-e) تحليل فجوة الطاقة – رسم تاوك للعينات المحضرة.
أظهرت العينات المحضرة حافة امتصاص عند 450 نانومتر مما يدل على الخصائص الجوهرية ( ) الانتقال وأظهر انزياحًا أزرق بعد التقشير الحراري بسبب تأثير الحصر الكمي علاوة على ذلك، تم تحديد طاقات فجوة النطاق للمحفز باستخدام معادلة تاوك، وتوضح هذه القيم في الشكل 6b-e. زادت طاقة فجوة النطاق للعينات المحضرة مع زيادة درجة حرارة التقشير الحراري، مما أكد بشكل أكبر تأثير الحصر الكمي بسبب تقليل سمك المحفزات الضوئية المقشرة. .
علاوة على ذلك، تم جدولتها في الجدول 1 فجوات النطاق لجميع المحفزات الضوئية. تم حساب قيم فجوة النطاق باستخدام المعادلة التالية:
أين، -معامل الامتصاص، A-ثابت التناسب، h-ثابت بلانك، -تردد الفوتونات، Eg-فجوة الطاقة.

النشاط الضوئي التحفيزي

الأداء الضوئي المحفز لـ جملة ، و تم تقييمه فيما يتعلق بتدهور الأصباغ العضوية: و، RhB، بشكل فردي. أيضًا، تم دراسة كفاءات الامتصاص لكل من المحفزات الضوئية الكتلية والم exfoliated في غياب الضوء. أظهرت الشكل S5 زيادة في كفاءة الامتصاص لجميع العينات المعالجة حرارياً عند مقارنتها بالعينات الكتلية. قد يكون ذلك بسبب زيادة مساحة السطح للعينات المعالجة حرارياً كما تم تأكيده من خلال دراسات BET. أيضًا، يمكن ترتيب كفاءة التحلل الضوئي للمحفزات الضوئية المعدة في التسلسل التالي: جملة كفاءة التحلل الضوئي لـ ضد صبغات MB و MO و RhB وُجدت أنها ، و على التوالي خلال 60 دقيقة من تعرضها لأشعة UV.

أثر المحفز

تم تحليل الخصائص التحفيزية للمحفزات المحضرة من خلال إجراء التحلل الضوئي لجميع الأصباغ الثلاثة بشكل فردي تحت إشعاع الضوء فوق البنفسجي. في البداية، تم وضع جميع الأصباغ في غرفة التفاعل الضوئي وتم إشعاعها لمدة 60 دقيقة دون وجود محفز وتم تسجيل طيف الامتصاص المقابل كما هو موضح في الشكل 7a-f. أظهر الاختبار الفارغ (الخط الأسود في الشكل 7) عدم وجود تحلل للأصباغ. ومع ذلك، بعد إضافة المحفز الضوئي إلى محاليل الأصباغ، كان هناك انخفاض ملحوظ في تركيزات جميع محاليل الأصباغ. صوّر التحلل الضوئي لثلاثة أصباغ مع زمن الإشعاع الذي يتوافق مع
الشكل 7. (أ-ج) حركيات التحلل المعتمدة على الزمن المقاسة كتركيز الصبغة عند الزمن t بالنسبة لتركيزها الابتدائي كفاءة التحلل الضوئي لجميع العينات بعد 60 دقيقة من التحلل.
في جميع المحفزات الضوئية المعدة جملة شكل أظهرت كفاءة التحلل لجميع المحفزات المبلغ عنها لجميع الأصباغ الثلاثة. تم ملاءمة حركيات التحلل للأصباغ الثلاثة مع نموذج معدل من الدرجة الأولى. تم حساب قيم ثابت المعدل بمساعدة المعادلة (2) المذكورة في قسم “التجارب الضوئية التحفيزية”.
علاوة على ذلك، فإن ثابت المعدل لـ أعلى في جميع تجارب تحلل الصبغة الثلاثة كما هو موضح في الجدول 2.
محفز ضوئي صبغة MB صبغة RhB صبغة MO
جملة
الجدول 2. قيم ثابت المعدل للكتلة والمستخرجة .

تحقيق في آليات التفاعل الضوئي المحفز تحليل الطيف الضوئي (PL) وتحليل impedanc

من المتوقع أن يتمتع المحفز الضوئي الجيد بمعدل نقل شحنة مرتفع ومعدل إعادة تركيب منخفض للثقوب والإلكترونات المثارة ضوئيًا. تم استخدام دراسة PL ومخطط نايكويست EIS للتحقيق في تأثير إعادة تركيب حاملات الشحنة في المحفز ومقاومة نقل الشحنة. تم إجراء دراسة PL لتحديد معدل إعادة تركيب أزواج الإلكترونات والثقوب الناتجة عن الضوء للمواد المحضرة. تم استخدام طول موجي من تم استخدامه لفحص طيف الانبعاث للكتلة والمستخلص شكل 8أ أظهر طيف PL لجميع المحفزات وشدة الذروة كشفت عن معدل إعادة التركيب للثقوب والإلكترونات المثارة ضوئيًا. في جميع المحفزات، أكدت الذروة عند 450 نانومتر الانتقالات الكثافة المنخفضة لـ أشار إلى انخفاض معدل إعادة تركيب الإلكترون والثقب، علاوة على ذلك، أظهرت جميع العينات التي تم تقشيرها حرارياً انخفاضاً ملحوظاً في الشدة مقارنةً بـ الكتلة، مؤكداً على قمع إعادة تركيب الشحنات في العينات المستخرجة حرارياً. كما تم دراسة حركيات مقاومة نقل الشحنات من خلال تحليل EIS. الشكل 8ب يظهر مخططات نايكويست لـ EIS حيث عرضت نصف قطر قوس أصغر بكثير مما يشير إلى معدل نقل شحنة أعلى من العينات الضخمة وغيرها من العينات المعالجة حرارياً.

اختبارات امتصاص الجذور الحرة

في عملية التحلل الضوئي النموذجية، يتم تحفيز الفجوة الناتجة عن الضوء ( الجذير الهيدروكسيلي (OH) والجذير السوبر أكسيدي ( ) لعبت دورًا حيويًا في تحلل الملوثات العضوية. وبالتالي، من الضروري تحديد الأنواع الأكثر تفاعلاً التي مكنت من تحلل الأصباغ. كما هو موضح في الشكل 9a، دون إضافة أي مواد كيميائية مدمرة، لم يكن هناك تغيير كبير في كفاءة التحلل لجميع الأصباغ الثلاثة. ومع ذلك، في وجود المادة الكيميائية المدمرة بارا-بنزوكوينون ( )، كان هناك انخفاض كبير في كفاءة التحلل، مما يشير إلى أن الجذور الحرة من نوع السوبر أوكسيد مهمة جدًا لتحلل الأصباغ. بجانب كان هناك انخفاض طفيف في كفاءة التحلل لجميع الأصباغ في حالة AO ) الذي أشار إلى أن الثقوب الناتجة عن الضوء ساهمت أيضًا في التفاعل الحفزي ولكن بطريقة محدودة. لم يكن هناك تغيير كبير ( ) في كفاءة التحلل عند إضافة IPA، مما يشير إلى المساهمة الضعيفة للجذور الهيدروكسيلية في التفاعل الضوئي التحفيزي. وهذا يتماشى أيضًا مع الأدبيات المبلغ عنها التي تشير إلى أن حافة نطاق التكافؤ حول +1.8 eV من غير مُشبع طاقيًا لجيل من لتأكيد ذلك بشكل أكبر ولفهم طبيعة الأنواع النشطة المشاركة في التحلل الضوئي، تم قياس موضع الشريط لكل محفز. تم تحديد مواضع شريط التوصيل (CB) وشريط التكافؤ (VB) للمحفز المُعد، وتم إدراجها في الجدول 3 باستخدام المعادلة التجريبية التالية:
الشكل 8. (أ) طيف الفوتولومينسنس (PL) للمواد المحفزة الضوئية المُعدة، (ب) تحليل EIS للمواد المحفزة الضوئية المُعدة.
الشكل 9. (أ) دراسة امتصاص الجذور الحرة لتحديد آليات التفاعل لـ محفزات ضد ثلاثة أصباغ نسيجية. يتم إخماد الأنيونات الفائقة الأكسدة، الجذور الهيدروكسيلية والثقب الناتج عن الضوء بواسطة بارابنزوكينون (P-BQ)، كحول الأيزوبروبيل (IPA) وأكسالات الأمونيوم (AO) على التوالي. (ب) تحليل القابلية لإعادة الاستخدام لـ محفزات لخمس دورات متتالية.
محفز ضوئي فجوة الطاقة (eV) جهد نطاق التوصيل (eV) [ ] جهد نطاق التكافؤ ( eV ) [ ]
جملة 2.54 -1.05 1.49
٢.٥٩ -1.075 1.51
2.61 -1.085 1.52
2.7 -1.13 1.57
الجدول 3. فجوة الطاقة ( ) وإمكانات النطاق ( ) من TE- .
أين، -الكهرسلبية المطلقة للمادة. من أجل هو طاقة الإلكترونات الحرة على مقياس الهيدروجين -جهد نطاق التوصيل، -جهد نطاق التكافؤ.
بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليل موت-شوتكي أيضًا لأفضل محفز. التي تم استخدامها لدراسة التجميع لتأكيد جهد نطاق التوصيل ). جهد الشريط المسطح ( تم حساب قيمة المحفز على أنها -1.21 eV باستخدام مخطط موت-شوتكي بالنسبة لـ كأ electrode مرجعي كما هو موضح في الشكل S6. بشكل عام، بالنسبة لمحفز أشباه الموصلات من النوع n هو أكثر سلبية من . وبالتالي، لـ تم حسابه ليكون ، و تم العثور عليه ليكون 1.6 إلكترون فولت. هذه النتيجة تتفق مع النتائج من الأدبيات المبلغ عنها. آلية التحفيز الضوئي المقترحة لـ TE-g-C تم توضيحه في الشكل 10.

تقييم قابلية إعادة استخدام المحفزات الضوئية

الأفضل أداءً تم اختبار استقراره وإعادة استخدامه لخمس دورات متتالية مع صبغة MB. أظهرت الشكل 9b النتائج لتجارب دورة إعادة الاستخدام للمواد المحفزة الضوئية. كان من المثير للاهتمام أن نجد أن هناك انخفاضًا طفيفًا جدًا في كفاءة التحلل للمواد المحفزة الضوئية بعد 5 دورات متتالية من حوالي . قد يكون هذا الانخفاض الطفيف أيضًا بسبب فقدان المواد الضوئية الحفازة نتيجة عملية الطرد المركزي التي تم جمعها بعد كل دورة. بالإضافة إلى ذلك، بعد إعادة الاستخدام لـ تم تحليل المحفزات باستخدام XRD و FTIR، والتي لم تظهر أي تغييرات ملحوظة في الطيف كما هو موضح في الشكل S7. أكد هذا الاختبار إمكانية إعادة استخدام المحفزات الضوئية المُعدة، وهو أمر مهم جدًا لنقل هذه التكنولوجيا إلى تطبيقات أكثر عملية.

الخاتمة

TE- تمت تخليقه عن طريق تعريض الكتلة درجات حرارة عالية ووجد أن تقشر في أظهر كفاءة أفضل في التحلل الضوئي بالمقارنة مع نظائره الكتلية وكذلك المحفزات التي تم تصنيعها في درجات حرارة أقل. لوحظ أنها مسامية ولها أسطح خشنة مما يؤدي إلى مساحة سطح عالية كما تم قياسه باستخدام BET وتحليل SEM. بسبب زيادة المساحة السطحية النوعية ( )، وفجوة الطاقة ( 2.7 إلكترون فولت )، النتائج الملحوظة لـ ضد وتم العثور على صبغات RhB أنها ، و على التوالي في 60 دقيقة من الإشعاع الضوئي، وتبعت جميع هذه النتائج حركية من الدرجة الأولى. في دراسة لالتقاط الجذور الحرة، وُجد أن الجذور الفائقة الأكسجين لعبت دورًا حاسمًا في تفاعل التحلل الضوئي تلاها الثقوب الناتجة عن الضوء بطريقة ضئيلة جدًا. ومع ذلك، فإن المزيد من التحقيقات حول الآليات العميقة لكيفية مساهمة الثقوب في تحلل الأصباغ ضرورية. علاوة على ذلك، أكدت دراسة EIS وPL قدرة نقل الشحنة وتأثير إعادة تركيب الحامل، مما أكد أن كفاءة المحفز تحسنت بالترتيب التالي: جملة أكدت دراسات إعادة الاستخدام على أفضل محفز ضوئي أداءً قابليته الممتازة لإعادة الاستخدام مع انخفاض طفيف في النشاط من 92 إلى
الشكل 10. آلية التفاعل الضوئي المقترحة ضد ملوثات صبغات النسيج.
بعد 5 جولات متتالية. وبالتالي، TE-g-C- يمكن أن يكون محفزًا ضوئيًا أخضر محتملًا يمكن استخدامه في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي بعد إجراء بعض التحقيقات على نطاق تجريبي.

توفر البيانات

جميع البيانات التي تدعم نتائج الدراسة متاحة من المؤلف المراسل عند الطلب المعقول.
تاريخ الاستلام: 15 نوفمبر 2023؛ تاريخ القبول: 22 يناير 2024
نُشر على الإنترنت: 27 يناير 2024

References

  1. Khairul Akter, M. M., Haq, U. N., Islam, M. M. & Uddin, M. A. Textile-apparel manufacturing and material waste management in the circular economy: A conceptual model to achieve sustainable development goal (SDG) 12 for Bangladesh. Clean. Environ. Syst. 4, 100070. https://doi.org/10.1016/j.cesys.2022.100070 (2022).
  2. Akhtar, W. H., Watanabe, C., Tou, Y. & Neittaanmäki, P. A new perspective on the textile and apparel industry in the digital transformation era. Textiles 2, 633-656 (2022).
  3. Luján-Ornelas, C., Güereca, L. P., Franco-García, M.-L. & Heldeweg, M. A life cycle thinking approach to analyse sustainability in the textile industry: A literature review. Sustainability 12, 10193 (2020).
  4. Berradi, M. et al. Textile finishing dyes and their impact on aquatic environs. Heliyon 5, e02711. https://doi.org/10.1016/j.heliyon. 2019.e02711 (2019).
  5. Tamburini, D., Shimada, C. M. & McCarthy, B. T. The molecular characterization of early synthetic dyes in E. Knecht’s textile sample book “A Manual of Dyeing”, (1893) by high performance liquid chromatography-diode array detector-mass spectrometry (HPLC-DAD-MS). Dyes Pigments 190, 109286. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2021.109286 (2021).
  6. Slama, H. B. et al. Diversity of synthetic dyes from textile industries, discharge impacts and treatment methods. Appl. Sci. 11, 6255 (2021).
  7. Niinimäki, K. et al. The environmental price of fast fashion. Nat. Rev. Earth Environ. 1, 189-200. https://doi.org/10.1038/s43017-020-0039-9 (2020).
  8. Paul, D. Research on heavy metal pollution of river Ganga: A review. Ann. Agrar. Sci. 15, 278-286. https://doi.org/10.1016/j.aasci. 2017.04.001 (2017).
  9. Dwivedi, S., Mishra, S. & Tripathi, R. D. Ganga water pollution: A potential health threat to inhabitants of Ganga basin. Environ. Int. 117, 327-338. https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.05.015 (2018).
  10. Low, J., Cao, S., Yu, J. & Wageh, S. Two-dimensional layered composite photocatalysts. Chem. Commun. 50, 10768-10777. https:// doi.org/10.1039/C4CC02553A (2014).
  11. Khan, I. et al. Review on methylene blue: Its properties, uses toxicity and photodegradation. Water 14, 242 (2022).
  12. Hassan, M. M. & Carr, C. M. A critical review on recent advancements of the removal of reactive dyes from dyehouse effluent by ion-exchange adsorbents. Chemosphere 209, 201-219. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.06.043 (2018).
  13. Sharma, J., Sharma, S. & Soni, V. Classification and impact of synthetic textile dyes on aquatic flora: A review. Reg. Stud. Mar. Sci. 45, 101802. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2021.101802 (2021).
  14. Al-Tohamy, R. et al. A critical review on the treatment of dye-containing wastewater: Ecotoxicological and health concerns of textile dyes and possible remediation approaches for environmental safety. Ecotoxicol. Environ. Saf. 231, 113160. https://doi.org/ 10.1016/j.ecoenv.2021.113160 (2022).
  15. Lellis, B., Fávaro-Polonio, C. Z., Pamphile, J. A. & Polonio, J. C. Effects of textile dyes on health and the environment and bioremediation potential of living organisms. Biotechnol. Res. Innov. 3, 275-290. https://doi.org/10.1016/j.biori.2019.09.001 (2019).
  16. Nilsson, R., Nordlinder, R., Wass, U., Meding, B. & Belin, L. Asthma, rhinitis, and dermatitis in workers exposed to reactive dyes. Br. J. Ind. Med. 50, 65-70. https://doi.org/10.1136/oem.50.1.65 (1993).
  17. Kooter, I. et al. Molecular signature of asthma-enhanced sensitivity to CuO nanoparticle aerosols from 3D cell model. ACS Nano 13, 6932-6946. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b01823 (2019).
  18. Adane, T., Adugna, A. T. & Alemayehu, E. Textile industry effluent treatment techniques. J. Chem. 2021, 5314404. https://doi.org/ 10.1155/2021/5314404 (2021).
  19. Ismail, W. et al. Water treatment and artificial intelligence techniques: A systematic literature review research. Environ. Sci. Pollut. Res. 30, 71794-71812. https://doi.org/10.1007/s11356-021-16471-0 (2023).
  20. Sikosana, M. L., Sikhwivhilu, K., Moutloali, R. & Madyira, D. M. Municipal wastewater treatment technologies: A review. Proc. Manuf. 35, 1018-1024. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.06.051 (2019).
  21. Rani, B., Nayak, A. K. & Sahu, N. K. Nanostructured Materials for Visible Light Photocatalysis 1-22 (Elsevier, 2022).
  22. Ren, G. et al. Recent advances of photocatalytic application in water treatment: A review. Nanomaterials 11, 1804 (2021).
  23. Chong, M. N., Jin, B., Chow, C. W. K. & Saint, C. Recent developments in photocatalytic water treatment technology: A review. Water Res. 44, 2997-3027. https://doi.org/10.1016/j.watres.2010.02.039 (2010).
  24. Schneider, J. et al. Understanding photocatalysis: Mechanisms and materials. Chem. Rev. 114, 9919-9986. https://doi.org/ 10.1021/cr5001892 (2014).
  25. Rajbongshi, B. M. Handbook of Smart Photocatalytic Materials 127-149 (Elsevier, 2020).
  26. Yang, X. & Wang, D. Photocatalysis: From fundamental principles to materials and applications. ACS Appl. Energy Mater. 1, 6657-6693. https://doi.org/10.1021/acsaem.8b01345 (2018).
  27. Porley, V. & Robertson, N. Nanostructured Photocatalysts 129-171 (Elsevier, 2020).
  28. Ong, W.-J., Tan, L.-L., Ng, Y. H., Yong, S.-T. & Chai, S.-P. Graphitic carbon nitride (g-C3N4)-based photocatalysts for artificial photosynthesis and environmental remediation: Are we a step closer to achieving sustainability?. Chem. Rev. 116, 7159-7329. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00075 (2016).
  29. Li, H., Liu, Y., Gao, X., Fu, C. & Wang, X. Facile synthesis and enhanced visible-light photocatalysis of graphitic carbon nitride composite semiconductors. ChemSusChem 8, 1189-1196. https://doi.org/10.1002/cssc. 201500024 (2015).
  30. Chen, Y. et al. Surface modification of g-C3N4 by hydrazine: Simple way for noble-metal free hydrogen evolution catalysts. Chem. Eng. J. 286, 339-346. https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.10.080 (2016).
  31. Jürgens, B. et al. Melem (2,5,8-Triamino-tri-s-triazine), an important intermediate during condensation of melamine rings to graphitic carbon nitride: Synthesis, structure determination by X-ray powder diffractometry, solid-state NMR, and theoretical studies. J. Am. Chem. Soc. 125, 10288-10300. https://doi.org/10.1021/ja0357689 (2003).
  32. Komatsu, T. & Nakamura, T. Polycondensation/pyrolysis of tris-s-triazine derivatives leading to graphite-like carbon nitrides. J. Mater. Chem. 11, 474-478. https://doi.org/10.1039/B005982J (2001).
  33. Xia, P., Zhu, B., Cheng, B., Yu, J. & Xu, J. 2D/2D g-C3N4/MnO2 nanocomposite as a direct Z-scheme photocatalyst for enhanced photocatalytic activity. ACS Sustain. Chem. Eng. 6, 965-973. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b03289 (2018).
  34. Chen, Y. & Bai, X. A review on quantum dots modified g-C3N4-Based photocatalysts with improved photocatalytic activity. Catalysts 10, 142 (2020).
  35. Alaghmandfard, A. & Ghandi, K. A comprehensive review of graphitic carbon nitride (g-C3N4)-metal oxide-based nanocomposites: Potential for photocatalysis and sensing. Nanomaterials 12, 294 (2022).
  36. Alam, U., Pandey, K. & Verma, N. Photocatalytic oxidation of glyphosate and reduction of Cr(VI) in water over ACF-supported CoNiWO4-gCN composite under batch and flow conditions. Chemosphere 297, 134119. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere. 2022.134119 (2022).
  37. Alam, U., Pandey, A. & Verma, N. An anthraquinone-integrated S-scheme-based composite with enhanced hydrogen production activity. Int. J. Hydrog. Energy 48, 2532-2541. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.151 (2023).
  38. Beyhaqi, A., Azimi, S. M. T., Chen, Z., Hu, C. & Zeng, Q. Exfoliated and plicated g- nanosheets for efficient photocatalytic organic degradation and hydrogen evolution. Int. J. Hydrog. Energy 46, 20547-20559. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.03. 174 (2021).
  39. Feng, J. et al. Comparing the photocatalytic properties of treated by thermal decomposition, solvothermal and protonation. Results Phys. 11, 331-334. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.09.014 (2018).
  40. Huang, T. et al. General synthesis strategy for hollow porous prismatic graphitic carbon nitride: A high-performance photocatalyst for production and degradation of RhB. J. Mater. Sci. 55, 6037-6050. https://doi.org/10.1007/s10853-020-04439-3 (2020).
  41. Rani, B., Nayak, A. K. & Sahu, N. K. Degradation of mixed cationic dye pollutant by metal free melem derivatives and graphitic carbon nitride. Chemosphere 298, 134249. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134249 (2022).
  42. Wang, H. et al. Self-assembled sulphur doped carbon nitride for photocatalytic water reforming of methanol. Chem. Eng. J. 445, 136790. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136790 (2022).
  43. Papailias, I. et al. Effect of processing temperature on structure and photocatalytic properties of g-C3N4. Appl. Surf. Sci. 358, 278-286. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.08.097 (2015).
  44. Papailias, I. et al. Chemical vs thermal exfoliation of for NOx removal under visible light irradiation. Appl. Catal. B Environ. 239, 16-26. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.07.078 (2018).
  45. Hwa, K.-Y., Santhan, A., Ganguly, A. & Kanna Sharma, T. S. Two dimensional architectures of graphitic carbon nitride with the substitution of heteroatoms for bifunctional electrochemical detection of nilutamide. Chemosphere 320, 138068. https://doi.org/ 10.1016/j.chemosphere.2023.138068 (2023).
  46. Chellammal Gayathri, R., Elakkiya, V. & Sumathi, S. Synthesis of cerium and bismuth doped nickel aluminate for the photodegradation of methylene blue, methyl orange and rhodamine B dyes. Chemosphere 303, 135056. https://doi.org/10.1016/j.chemo sphere.2022.135056 (2022).
  47. Niu, P., Zhang, L., Liu, G. & Cheng, H.-M. Graphene-like carbon nitride nanosheets for improved photocatalytic activities. Adv. Funct. Mater. 22, 4763-4770. https://doi.org/10.1002/adfm. 201200922 (2012).
  48. Zhang, J., Zhang, M., Yang, C. & Wang, X. Nanospherical carbon nitride frameworks with sharp edges accelerating charge collection and separation at a soft photocatalytic interface. Adv. Mater. 26, 4121-4126. https://doi.org/10.1002/adma.201400573 (2014).
  49. Yang, S. et al. Exfoliated graphitic carbon nitride nanosheets as efficient catalysts for hydrogen evolution under visible light. Adv. Mater. 25, 2452-2456. https://doi.org/10.1002/adma. 201204453 (2013).
  50. Yang, L. et al. A surface modification resultant thermally oxidized porous with enhanced photocatalytic hydrogen production. Appl. Catal. B Environ. 204, 335-345. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.11.047 (2017).
  51. Xu, H.-Y., Zheng, Z. & Mao, G.-J. Enhanced photocatalytic discoloration of acid fuchsine wastewater by schorl composite catalyst. J. Hazard. Mater. 175, 658-665. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.10.059 (2010).
  52. Song, X., Yang, Q., Jiang, X., Yin, M. & Zhou, L. Porous graphitic carbon nitride nanosheets prepared under self-producing atmosphere for highly improved photocatalytic activity. Appl. Catal. B Environ. 217, 322-330. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.05. 084 (2017).
  53. Gupta, R., Alam, U. & Verma, N. Efficient photofixation of nitrogen to ammonia over an S-scheme-based heterojunction. Chem. Eng. J. 479, 147644. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147644 (2024).
  54. Qu, Y. & Duan, X. Progress, challenge and perspective of heterogeneous photocatalysts. Chem. Soc. Rev. 42, 2568-2580. https:// doi.org/10.1039/C2CS35355E (2013).
  55. Samanta, S., Martha, S. & Parida, K. Facile synthesis of Au/g-C3N4 nanocomposites: An inorganic/organic hybrid plasmonic photocatalyst with enhanced hydrogen gas evolution under visible-light irradiation. ChemCatChem 6, 1453-1462. https://doi. org/10.1002/cctc. 201300949 (2014).
  56. Kang, Y. et al. An amorphous carbon nitride photocatalyst with greatly extended visible-light-responsive range for photocatalytic hydrogen generation. Adv. Mater. 27, 4572-4577. https://doi.org/10.1002/adma. 201501939 (2015).
  57. Li, Q., He, Y. & Peng, R. Graphitic carbon nitride (g-C3N4) as a metal-free catalyst for thermal decomposition of ammonium perchlorate. RSC Adv. 5, 24507-24512. https://doi.org/10.1039/C5RA01157D (2015).
  58. Xue, J., Ma, S., Zhou, Y., Zhang, Z. & He, M. Facile photochemical synthesis of with plasmon-enhanced photocatalytic activity for antibiotic degradation. ACS Appl. Mater. Interfaces 7, 9630-9637. https://doi.org/10.1021/acsami.5b01212 (2015).
  59. Kong, L. et al. Porous size dependent g-C3N4 for efficient photocatalysts: Regulation synthesizes and physical mechanism. Mater. Today Energy 13, 11-21. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2019.04.011 (2019).
  60. Phoon, B. L., Lai, C. W., Pan, G.-T., Yang, T.C.-K. & Juan, J. C. Highly mesoporous with uniform pore size distribution via the template-free method to enhanced solar-driven tetracycline degradation. Nanomaterials 11, 2041 (2021).
  61. Monga, D. & Basu, S. Enhanced photocatalytic degradation of industrial dye by nanocomposite: Role of shape of . Adv. Powder Technol. 30, 1089-1098. https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.03.004 (2019).
  62. Wang, K. et al. Sulfur-doped with enhanced photocatalytic -reduction performance. Appl. Catal. B Environ. 176-177, 44-52. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.03.045 (2015).
  63. Saravanakumar, K. & Park, C. M. Rational design of a novel double Z-scheme structure: Photocatalytic performance for antibiotic degradation and mechanistic insight. Chem. Eng. J. 423, 130076. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021. 130076 (2021).
  64. Liang, L. et al. nano-fragments as highly efficient hydrogen evolution photocatalysts: Boosting effect of nitrogen vacancy. Appl. Catal. A Gen. 599, 117618. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2020.117618 (2020).
  65. Devi, L. G. & Kavitha, R. A review on non metal ion doped titania for the photocatalytic degradation of organic pollutants under UV/solar light: Role of photogenerated charge carrier dynamics in enhancing the activity. Appl. Catal. B Environ. 140-141, 559-587. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2013.04.035 (2013).
  66. Yuan, X. et al. Facile synthesis of 3D porous thermally exfoliated nanosheet with enhanced photocatalytic degradation of organic dye. J. Coll. Interface Sci. 468, 211-219. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2016.01.048 (2016).
  67. Liu, N. et al. From Triazine to Heptazine: Origin of graphitic carbon nitride as a photocatalyst. ACS Omega 5, 12557-12567. https:// doi.org/10.1021/acsomega.0c01607 (2020).
  68. Jia, T. et al. Rational construction of direct Z -scheme hybrid photocatalyst for significant enhancement of visible-light photocatalytic activity. Appl. Surf. Sci. 499, 143941. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143941 (2020).
  69. Bahadoran, A. et al. Novel S-scheme heterojunction with enhanced photocatalytic degradation of sulfamerazine under visible light irradiation. Appl. Surf. Sci. 568, 150957. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150957 (2021).
  70. Xu, J., Wang, Z. & Zhu, Y. Enhanced Visible-light-driven photocatalytic disinfection performance and organic pollutant degradation activity of porous g-C 3 N4 nanosheets. ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 27727-27735. https://doi.org/10.1021/acsami.7b07657 (2017).

شكر وتقدير

يود المؤلفون أن يشكروا إدارة VIT على التسهيلات المطلوبة لتنفيذ هذا العمل. تم إنشاء الملخص الرسومي باستخدامبيوريندر.كوم (رقم الترخيص: TH268W5VVJ).

مساهمات المؤلفين

س.ج: التركيب، المنهجية، التصور، تنظيم البيانات، التحليل الرسمي، التحقيق، كتابة المسودة الأصلية. ت.ك: التحليل الرسمي، التصور. س.س: التصور، الموارد، التحليل الرسمي. أ.ب: الإشراف، الموارد، تنظيم البيانات، الحصول على التمويل، التصور، التحقق، كتابة المراجعة والتحرير.

المصالح المتنافسة

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

معلومات إضافية

معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على مواد إضافية متاحة علىhttps://doi.org/10.1038/s41598-024-52688-y.
يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى A.P.
معلومات إعادة الطباعة والتصاريح متاحة علىwww.nature.com/reprints.
ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينغر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارةhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلف(ون) 2024

  1. قسم الكيمياء، مدرسة العلوم المتقدمة، معهد فيلور للتكنولوجيا، فيلور، تاميل نادو 632014، الهند. هندسة تصنيع الأعضاء البشرية (HOME)، مختبر، مركز المواد الحيوية، العلاج الخلوي والجزيئي (CBCMT)، معهد فيلور للتكنولوجيا، فيلور، تاميل نادو 632014، الهند. قسم الهندسة الكهروضوئية، جامعة تايبيه الوطنية للتكنولوجيا، تايبيه 106، تايوان. البريد الإلكتروني:arunkumar.p@vit.ac.in

Journal: Scientific Reports, Volume: 14, Issue: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-52688-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38280908
Publication Date: 2024-01-27

Efficient photocatalytic degradation of textile dye pollutants using thermally exfoliated graphitic carbon nitride ( )

Selvaganapathy Ganesan , Thangavelu Kokulnathan , Shanmugam Sumathi & Arunkumar Palaniappan

Graphitic carbon nitride ( ), an organic photocatalyst was reported to have beneficial properties to be used in wastewater treatment applications. However, , in its bulk form was found to have poor photocatalytic degradation efficiency due to its inherent limitations such as poor specific surface area and fast electron-hole pair recombination rate. In this study, we have tuned the physiochemical properties of bulk by direct thermal exfoliation (TE-g-C3 ) and examined their photocatalytic degradation efficiency against abundant textile dyes such as methylene blue (MB), methyl orange (MO), and rhodamine B (RhB). The degradation efficiencies for MB, MO, and RhB dyes are , and respectively in 60 min of UV light irradiation. The degradation efficiency increased with an increase in the exfoliation temperature. The prepared catalysts were characterized using FTIR, XRD, FE-SEM, EDAX, BET, and UV-DRS. In BET analysis, TE samples showed improved surface area ( ) when compared to the bulk ( ). Further, the TE-g- had 2.98 times higher adsorption efficiency than the bulk ones. The free radicals scavenging studies revealed that the superoxide radicals played an important role in the photodegradation for dyes, when compared to the hydroxyl radical ( OH ) and the photo-induced holes , Photoluminescence (PL) emission and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) spectra of TE-g-C indicated a lowered electron-hole pairs’ recombination rate and an increased photo-induced charge transfer respectively. Further, the TE-g-C3 were found to have excellent stability for up to 5 cycles with only a minor decrease in the activity from to . These findings proved that was an excellent photocatalyst for the removal and degradation of textile dyes from wastewater.
In recent years, globalization, the advancement of technology, coupled with the evolving fashion preferences of humans, has significantly contributed to the augmentation of textile and garment manufacturing . Compared to the past decade, consumers buy clothes twice the time and keep them for only half the time . This huge production of textile products and their shorter utilization creates dramatic textile and apparel waste after consumer usage. Also, these industries use synthetic pigments as coloring agents . The textile and fashion industries are globally criticized for pernicious environmental impact (water contamination, waste generation, and carbon footprint) throughout their supply chain . For example, The Ganga river in India experiences a daily influx of around 250 million liters of industrial effluent as a consequence of human encroachment in the surrounding regions . The pigments used in the textile industries are stable, highly aqueous soluble, toxic, carcinogenic, and non-biodegradable . These dyes obstruct the sunlight penetration range and result in reduced photosynthesis process which causes unavailability of oxygen to aquatic organisms. Moreover, the ingestion or inhalation of the
toxic dyes is reported to trigger respiratory infections, skin, and eye irritations . Also, some dyes are found to get converted into carcinogenic compounds in anaerobic conditions, thus leads to the manifestation of various health conditions, including but not limited to cancer, asthma, diarrhea, nausea, and diverse forms of allergic reactions . The most widely used methods for the removal of these hazardous dyes are adsorption, biosorption, filtration, ion exchange, coagulation, and advanced oxidation process (AOP) . In recent times, AOP-based photocatalytic wastewater treatment methods have been widely used for environmental depollution due to their advantages such as eco-friendliness, low maintenance cost, easier operation, and high efficiency . The photocatalysts are typically semiconductor materials that generate electron-hole pair upon irradiation with light source. This in turn reacts with dissolved oxygen and moisture present in the dye solution to produce reactive ion species. These reactive ion species then convert toxic organic dyes to non-toxic or secondary pollutants . Several metal oxides, noble metals, metal carbides, and sulfur-based semiconductors are used as photocatalysts to remove pollutants from the environment . However, these metal-based photocatalytic materials have limitations such as high cost, low quantum efficiency, lower availability, and more importantly generation of metallic pollutants when these catalysts are discarded. This leads to a scenario where treatment strategies and components polluting back the environment. Thus, there is a strong need for a metal-free catalyst with better photocatalytic efficiency .
Graphitic carbon nitride is one such metal-free semiconductor with an excellent physico-chemical and photocatalytic properties. The electrons generated through photoexcitation in exhibited a higher thermodynamic potential to facilitate the reduction of diverse organic compounds into and . However, in its bulk form had several drawbacks, such as a limited specific surface area and an accelerated recombination rate There are reports in the literature where the photocatalytic performance of bulk were increased by making composites with metal oxides, quantum dots, and fabricating heterojunction structures . However, in the above methods, was typically combined with other materials using multistep reactions, which increased the cost as well as the complexity. Thus, exfoliation of using physical methods (e.g. thermal treatment) or chemical methods (e.g. acid etching) was an attractive option to improve their photocatalytic performances, mainly through the enhancement in their surface area due to the formation of this and porous structures. Various researchers have made highly porous and sheet-like for enhanced photocatalytic performance through protonated exfoliation or hydrothermal breakdown; however, these procedures were complex and expensive . Among them, thermal exfoliation was the most environment-friendly option which was currently being explored.
The thermal exfoliation process of was a straightforward method for the synthesis of a catalyst that exhibited an excellent porosity and efficiency, making it suitable for many environmental applications (Fig. 1). From the previously published literature, thermal exfoliation of was synthesized by various researchers with different precursors and parameters for applications such as NOx removal and production . In the present work, we reported the preparation of by thermal exfoliation at static air and examined its adsorption and photocatalytic degradation efficiency against the most common textile dyes such as methylene blue (MB), methyl orange (MO), and rhodamine B (RhB) dye solutions under UV light irradiations. Finally, we have also investigated the mechanisms through which these thermally exfoliated photocatalysts degraded the dyes using radical scavenging experiments as well as by calculating the band potentials to confirm the active species involved in the reaction. To the best of our current understanding, there is a lack of documented research pertaining to the photodegradation of textile dyes by the utilization of TE- using UV light irradiation, which we have addressed through this work.

Experimental section Materials

Melamine was purchased from SD Fine Chemicals Ltd, Mumbai, India. Methylene blue (MB) ( ), rhodamine , methyl orange (MO) , ammonium
Figure 1. Schematic showing the preparation of and its photocatalytic mechanism.
oxalate , and isopropyl alcohol (IPA) , potassium chloride (KCL) , were purchased from SRL Chemical, Mumbai; para-benzoquinone (P-BQ) , sodium sulfate , was purchased from Sigma Aldrich, Bengaluru. All chemicals employed in the study were of analytical pure grade and were utilized without undergoing additional purification processes. All studies were conducted using Milli-Q water.

Synthesis

Preparation of bulk
The bulk was synthesized using melamine as per protocol . In a concise manner, a quantity of 10 g of melamine was placed into a sealed crucible made of alumina. The temperature of the crucible was raised to at per minute. The sample was kept in the above condition for 4 h in the static air, after which samples were cooled down to obtain yellow-colored agglomerates. The agglomerates were then ground to get fine powders using agate mortar.
Preparation of
TE-g-C3 samples were synthesized using the process of heating pre-existing bulk g-C3N4 material within an open alumina crucible, employing various temperature condition of , and for 2 h with a rate of per min. The resultant samples were labelled as corresponding to , and respectively.

Characterization

X-ray diffraction (XRD) tests were employed to verify the production and purity of the synthesized materials using Panalytical X’Pert . The characteristic functional groups present in the synthesized materials were identified using Agilent Cary 630 Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy [Agilent Cary 630] studies. The analysis of the samples’ surface area was conducted using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) technique using Bellsorp Max II analyzer. Surface morphology and elemental analysis of all the materials were examined by field emission scanning electron microscope (FESEM)-Thermo Fisher FEI-Quanta 250 FEG. JASCO V-670 UV-Vis-NIR spectrophotometer was used to obtain the optical properties such as absorbance spectra and band gap. The concentration of the remnant dyes present in the system after a photodegradation experiment was detected using a UV-Vis spectrophotometer (Agilent Cary 3500). Photoluminescence (PL) properties of the materials were investigated with a HITACHI F-7000 fluorescence spectrophotometer.

Photocatalytic experiments

The photocatalytic activity of the TE-g-C samples was investigated using most abundantly used organic textile dyes: , and MO as per the protocol in the literature . Briefly, of the sample was added into 50 mL dye solutions ( 10 ppm ) and stirred for 30 min in dark conditions to attain adsorption/ desorption equilibrium. Subsequently, the samples underwent additional agitation within a photoreactor while being exposed to UV light (with a wavelength of 365 nm and power output of 125 W ), in order to assess the catalysts’ ability to degrade the dye. At discrete time intervals, a 3 mL aliquot was extracted from the solution and subjected to centrifugation in order to isolate the catalyst. The amount of dye in the solution was quantified using a UV-Vis spectrophotometer. The adsorption and degradation efficiency of dyes were determined using the absorbance maxima peaks exhibited by the dyes: MB- 664 nm , RhB- 554 nm , and MO- 464 nm in the absence and presence of light irradiation. The radical scavenging studies were performed with the best performing catalyst, against all three dyes. The experimental procedure involved the addition of specific trapping agents, namely ammonium oxalate (AO), isopropyl alcohol (IPA), and para-benzoquinone (P-BQ), in order to scavenge the photogenerated holes , hydroxyl radicals , and superoxide radicals species, respectively.
The degradation percentage of each dye and the rate constant of the photocatalyst reaction were evaluated using the following equations.
where, Concentration of dye at time Initial concentration of the dye at Rate constant .

Electrochemical measurements

Mott-Schottky analysis was performed to confirm the conduction band value. Using as an electrolyte solution, as the reference electrode, and platinum as the counter electrode with fixed frequency of 1 kHz . EIS analysis was carried out to determine the charge transfer ability of the catalyst using solution containing and 0.1 M KCl . For electrode fabrication, of catalyst was uniformly dispersed using bath sonicator for 30 min . After sonication, of homogenous solution was drop casted on screen printed electrode (SPCE) and dried at room temperature.

Results and Discussion

Powder XRD results
Figure 2a showed the XRD pattern of all the prepared samples. All the samples exhibited a similar XRD pattern that matches with JCPDS No. 87-1526, which corresponds to graphitic carbon nitride . The diffraction pattern exhibited two prominent peaks at around and , indicating the structural
Figure 2. (a) Powder XRD results of Bulk, , (b) FTIR spectra of the prepared samples.
arrangement of tri-s-triazine heterocycles and the periodic repetition of heptazine units inside the plane, respectively. The thermally exfoliated samples showed broader peaks with reduced intensities when compared to their bulk counterparts, which probably depicted the reduced layer spacing in the exfoliated ones . Thus, (002) peak strength of the samples steadily decreased, indicating a comparable exfoliation of the . The reduction in peak intensities, was associated with decrease in crystallinity with increase in surface area and porosity. The surface area and porosity are two key factors responsible for an efficient photocatalyst . Moreover, higher angular shifts for the thermally exfoliated samples [ ( ) ( ), when compared to the bulk one [ bulk ] could again be attributed to the reduced interlayer spacing . The crystallite size of the sample was calculated using Scherrer formula: , where D is crystallite size in ( nm ), represents the full-width-at-half-maximum for the peak of the (101) plane, represents the wavelength of the X-ray radiation ( 0.15418 nm ), and K is the Scherrer constant, which is assumed to have a value of . The calculated crystallite size of the as prepared catalyst is listed in Table 1.

FTIR analysis

Functional groups and chemical bonding of prepared materials were studied by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, as shown in Fig. 2b. Here all the prepared samples possess similar characteristics spectra of . The typical peaks attributed to were present in all the samples prepared. The sharp peak observed at was attributed to the breathing mode of tri-s-triazine heterocycles. Moreover, the bands observed at depicted the stretching of motifs in samples originating from the surface groups and adsorbed water molecules . In particular, the region from 1200 to corresponds to the stretching vibrations of and heterocycles . Finally, the similarity among the sample’s band stretching suggests that the thermal exfoliation does not make any significant changes in the .

XPS analysis

The XPS analysis was performed to analyze the detailed chemical status of the catalyst prepared. As observed from Fig. 3a, the C 1 s spectrum of bulk fitted into binding energies of 288.2 eV and 284.9 eV , which can be attributed to the graphitic sites present in the matrix of -hybridized carbon atom bonded to N in the aromatic ring ( ), bonds and bonds respectively. The spectra of bulk 1s in Fig. 3b also showed the fitted binding energy peaks of 398.7 eV and 400.15 eV which are attributed to the hybridized bond in the triazine ring and bonds . The XPS spectrum of s and N 1 s are shown in Figs. 3 c , d . The and bonds’ binding energy peaks in the C 1 s spectra
Sample Surface area Pore volume ( ) Crystallite size (nm) Band gap (eV) Elemental composition
C (wt%) N (wt%)
g- Bulk 5.035 0.028 9.0 2.54 34.06 65.94
9.189 0.08 5.7 2.59 36.00 64.00
13.45 0.092 5.3 2.61 37.00 63.00
48.203 0.32 4.2 2.7 39.3 60.7
Table 1. Surface area, pore volume, crystallite size, band gap and, elemental composition of bulk and exfoliated .
Figure 3. XPS spectrum of bulk and 550. (a) C1s spectra of bulk (b) N1s spectra bulk , (c) C1s spectra for , (d) N1s spectra of .
were found at 288.34 eV and 285.341. and of N 1 s were attributed in the range of 398.86 eV and 401.1 eV which confirmed the triazine rings and hybridized carbon atom bonded N in the aromatic rings. This also confirmed that the TE-g- had undergone no chemical structural changes in the presence of heat treatment. The survey scan spectrum of bulk and are shown in Figure S1.

Morphology analysis

Figure 4 illustrated the structural morphology of prepared samples which confirmed the effect of temperature on the thermal exfoliation of the prepared materials. In case of bulk , flat, aggregated and non-porous flakes were observed while for exfoliated ones, thinner layers with rough surface and layered detachments were found with increasing exfoliation temperature as shown in Fig. . There were similar reports in the literature for the exfoliated ones . The EDAX analysis confirmed the presence of C and N and their respective percentages as shown in Figure S2. Elemental mapping of prepared samples shown in Figure S3 showed the uniform homogeneous distribution. Furthermore, the elemental composition of all prepared photocatalysts is listed in Table 1.

Surface area analysis

Figure 5 displays the adsorption-desorption isotherms for the photocatalysts that were produced. The observed samples were determined to conform to the type IV isotherm and exhibited H3 hysteresis loop, consistent with findings described in the existing literature . Moreover, it confirmed that all the prepared samples are multilayer-monolayer adsorption and are mesoporous materials. The specific surface area ( ) and porosity for prepared samples increased with increasing thermal heat treatment temperature . The specific surface area for bulk, are and with pore size distribution in the range of (Figure S4). The increase in surface area upon increase in exfoliation temperature might be attributed to surface roughness, which was observed in FESEM analysis for the thermally exfoliated samples and it also goes well with XRD results. Furthermore, the specific surface area and pore volume was also tabulated in Table 1.

Optical study

The optical characteristics of the produced photocatalysts were examined using ultra-violet diffuse reflectance spectroscopy (UV-DRS). The optical absorption spectra of the prepared samples are shown in Fig. 6a. All the
Figure 4. FESEM images of the synthesized samples: (a) Bulk, (b) , (c) , (d) photocatalyst.
Figure 5. (a) adsorption-desorption plots of (a) bulk and, (b-d) exfoliated .
Figure 6. (a) UV-Visible absorbance spectra of Bulk, and . (b-e) Band gap analysis-Tauc plot of the prepared samples.
prepared samples exhibited absorption edge at 450 nm depicting intrinsic ( ) transition and showed blue shift after thermal exfoliation because of the quantum confinement effect . Moreover, the band gap energies of the catalyst were determined using the tauc equation, and these values are illustrated in the Fig. 6b-e. The band gap energy of prepared samples increased with increasing thermal exfoliation temperature, which further confirmed the quantum confinement effect because of reduction in thickness of exfoliated photocatalysts .
Furthermore, the band gaps of all photocatalysts are tabulated in Table 1. The band gap values were calculated using the following equation:
where, -absorption coefficient, A-Proportionality constant, h-Planck’s constant, -photons’ frequency, Eg-Bandgap.

Photocatalytic activity

The photocatalytic performance of bulk, , and was assessed in relation to the degradation of organic dyes: and, RhB , individually. Also, the adsorption efficiencies for both the bulk and exfoliated photocatalysts were studied in the absence of light. Figure S5 showed an increased adsorption efficiency for all the thermally exfoliated samples when compared to the bulk ones. This could be due to increased surface area for the exfoliated samples as confirmed by BET studies. Also, the photodegradation efficiency of prepared photocatalysts could be arranged in the following sequence: bulk . The photodegradation efficiency of against MB, MO and RhB dyes were found to be , and respectively within 60 min of UV light irradiation.

Effect of catalyst

The catalytic properties of the prepared catalysts were analyzed by performing photodegradation of all three dyes individually under irradiation of UV light. Initially, all the dyes were kept in the photocatalytic reaction chamber and irradiated for 60 min without a catalyst and their corresponding absorbance spectrum was recorded as shown in Fig. 7a-f. The blank test (black line in Fig. 7) showed no degradation of dyes. However, after addition of photocatalyst to the dye solutions, there was a remarkable reduction in the concentrations of all dye solutions. Figure depicted the photocatalytic degradation of three dyes with irradiation time corresponding to the
Figure 7. (a-c) Time dependent degradation kinetics measured as the concentration of dye at time t with respect to initial concentration photocatalytic degradation efficiency of all the samples after 60 min of degradation.
in all prepared photocatalyst bulk, . Figure showed the degradation efficiency of all reported catalysts for all three dyes. The degradation kinetics of three dyes were fitted with first-order rate model. The rate constant values were calculated with the help of Eq. (2) mentioned in section “Photocatalytic experiments”.
Moreover, the rate constant for is higher in all three dye degradation experiments shown as shown in Table 2.
Photocatalyst MB dye RhB dye MO dye
bulk
Table 2. Rate constant values for the bulk and exfoliated .

Investigation of the photocatalytic reaction mechanisms Photoluminescence (PL) Spectroscopy and EIS analysis

A good photocatalyst are expected to have high charge transfer rate and low recombination rate of photoexcited holes and electrons . PL study and EIS Nyquist plot were used to investigate the catalyst charge carrier recombination effect and charge transfer resistance. PL study was performed to find the recombination rate of photogenerated electron-hole pair of the prepared materials. A wavelength of was used to examine the emission spectrum of the bulk and exfoliated . Figure 8a showed the PL spectra of all catalysts and the peak intensity revealed the recombination rate of photoexcited holes and electrons. In all the catalysts, the peak at 450 nm confirmed the transitions . The lower intensity for indicated the low elec-tron-hole recombination rate, Moreover, all the thermally exfoliated samples showed significantly decreased intensity compared with bulk, confirming the suppression of charge recombination in thermally exfoliated samples. The charge transfer resistance kinetics was also investigated by EIS analysis. Figure 8b showed the EIS Nyquist plots in which exhibited a much smaller arc radius suggesting a higher charge transfer rate than bulk and other thermally exfoliated samples.

Radical scavenging tests

In a typical photocatalytic degradation process, the photo-induced hole ( ), hydroxyl radical ( OH ), and superoxide radical ( ) played a vital role in the degradation of organic pollutants. Thus, it is imperative to identify the most reactive species that enabled the degradation of dyes. As shown in Fig. 9a, without the addition of any scavengers, there was no significant change in the degradation efficiency for all the three dyes. However, in the presence of scavenger para-benzoquinone ( ), there was a significant drop in the degradation efficiency, indicating the superoxide radical to be very important for the degradation of the dyes. Next to , there was a slight reduction in the degradation efficiency for all dyes in case of AO ( ) which indicated that the photoinduced holes also contributed to the catalytic reaction but in a minimal way. There was no significant change ( ) in the degradation efficiency upon addition of IPA, indicating the poor contribution of hydroxyl radicals towards the photocatalytic reaction. This also goes well with reported literature citing the fact that the valance band edge around +1.8 eV of is energetically unfulfilled for generation of . To further confirm the same and to understand the nature of active species involved in the photodegradation, the band position of each catalyst was measured. The positions of the conduction band (CB) and valance band (VB) of the prepared catalyst were determined, and listed in Table 3 using the following empirical formula:
Figure 8. (a) Photoluminescence (PL) spectra of prepared photocatalysts, (b) EIS analysis of the prepared photocatalysts.
Figure 9. (a) Radical scavenging study to determine the reaction mechanisms for catalysts against three textile dyes. Superoxide anions, hydroxyl radicals and photoinduced hole are quenched by parabenzoquinone (P-BQ), isopropyl alcohol (IPA) and ammonium oxalate (AO), respectively. (b) Reusability analysis of catalysts for five successive cycles.
Photocatalyst Band gap (eV) Conduction band potential (eV) [ ] Valance band potential ( eV ) [ ]
bulk 2.54 -1.05 1.49
2.59 -1.075 1.51
2.61 -1.085 1.52
2.7 -1.13 1.57
Table 3. Band gap ( ) and band potentials ( ) of TE- .
where, -absolute electronegativity of the material. For is energy of free electrons on the hydrogen scale -conduction band potential, -valance band potential.
Additionally, Mott-Schottky analysis was also performed for the best catalyst , which were used for the scavenging study to confirm the conduction band potential ( ). The flat band potential ( ) for the catalyst was calculated as -1.21 eV using the Mott-Schottky plot with respect to as reference electrode as shown in Figure S6. In general, for n-type semiconductor catalyst is more negative than . Thus, for was calculated to be , and was found to be 1.6 eV . This result agreed with the results from the reported literature . The proposed photocatalytic mechanism of TE-g-C was illustrated in the Fig. 10.

Evaluation of the reusability of the photocatalysts

The best-performing was tested for its stability and reusability for five continuous cycles with MB dye. Figure 9b showed the results for the reusability cycle experiments of the photocatalysts. It was interesting to find that only very slight decline in the degradation efficiency of the photocatalyst after 5 continuous cycles from around . This slight decline might also be due to the loss of photocatalytic materials due to centrifugation process that was collected after each cycle. Additionally, post reusability of catalysts was analysed with XRD and FTIR which did not show any significant changes in in the spectra as shown in Figure S7. This test confirmed the reusability of prepared photocatalysts, which was very important for translating this technology to more practical applications.

Conclusion

The TE- was synthesized by subjecting the bulk to high temperatures and found that exfoliated at showed better photocatalytic degradation efficiency in comparison with its bulk counterparts as well as catalysts synthesized at other lower temperatures. TE-g-C3 were observed to be porous and have rough surfaces resulting in high surface area as measured using BET, and SEM analysis. Due to increased specific surface area ( ), and band gap ( 2.7 eV ), the results noticed for against and RhB dyes were found to be , and respectively in 60 min of light irradiation and all these results followed first-order rate kinetics. In a radical scavenging study, it was found that the superoxide radicals played a crucial role in the photocatalytic degradation reaction followed by photogenerated holes in a very minimal way. However, further investigations on the in-depth mechanisms of how holes contribute to the degradation of dyes are warranted. Furthermore, the EIS and PL study confirmed the charge transfer ability and carrier recombination effect which further confirmed that the efficiency of the catalyst improved in the following sequence: bulk . The reusability studies on the best performing photocatalyst confirmed its excellent reusability with minor decrease in activity from 92 to
Figure 10. The proposed photocatalytic reaction mechanism of against textile dye pollutants.
after 5 consecutive runs. Thus, TE-g-C- could be a potential green photocatalyst which could be deployed in the wastewater treatment applications after a few further pilot scale investigations.

Data availability

All data that supports the findings of the study are available from the corresponding author on reasonable request.
Received: 15 November 2023; Accepted: 22 January 2024
Published online: 27 January 2024

References

  1. Khairul Akter, M. M., Haq, U. N., Islam, M. M. & Uddin, M. A. Textile-apparel manufacturing and material waste management in the circular economy: A conceptual model to achieve sustainable development goal (SDG) 12 for Bangladesh. Clean. Environ. Syst. 4, 100070. https://doi.org/10.1016/j.cesys.2022.100070 (2022).
  2. Akhtar, W. H., Watanabe, C., Tou, Y. & Neittaanmäki, P. A new perspective on the textile and apparel industry in the digital transformation era. Textiles 2, 633-656 (2022).
  3. Luján-Ornelas, C., Güereca, L. P., Franco-García, M.-L. & Heldeweg, M. A life cycle thinking approach to analyse sustainability in the textile industry: A literature review. Sustainability 12, 10193 (2020).
  4. Berradi, M. et al. Textile finishing dyes and their impact on aquatic environs. Heliyon 5, e02711. https://doi.org/10.1016/j.heliyon. 2019.e02711 (2019).
  5. Tamburini, D., Shimada, C. M. & McCarthy, B. T. The molecular characterization of early synthetic dyes in E. Knecht’s textile sample book “A Manual of Dyeing”, (1893) by high performance liquid chromatography-diode array detector-mass spectrometry (HPLC-DAD-MS). Dyes Pigments 190, 109286. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2021.109286 (2021).
  6. Slama, H. B. et al. Diversity of synthetic dyes from textile industries, discharge impacts and treatment methods. Appl. Sci. 11, 6255 (2021).
  7. Niinimäki, K. et al. The environmental price of fast fashion. Nat. Rev. Earth Environ. 1, 189-200. https://doi.org/10.1038/s43017-020-0039-9 (2020).
  8. Paul, D. Research on heavy metal pollution of river Ganga: A review. Ann. Agrar. Sci. 15, 278-286. https://doi.org/10.1016/j.aasci. 2017.04.001 (2017).
  9. Dwivedi, S., Mishra, S. & Tripathi, R. D. Ganga water pollution: A potential health threat to inhabitants of Ganga basin. Environ. Int. 117, 327-338. https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.05.015 (2018).
  10. Low, J., Cao, S., Yu, J. & Wageh, S. Two-dimensional layered composite photocatalysts. Chem. Commun. 50, 10768-10777. https:// doi.org/10.1039/C4CC02553A (2014).
  11. Khan, I. et al. Review on methylene blue: Its properties, uses toxicity and photodegradation. Water 14, 242 (2022).
  12. Hassan, M. M. & Carr, C. M. A critical review on recent advancements of the removal of reactive dyes from dyehouse effluent by ion-exchange adsorbents. Chemosphere 209, 201-219. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.06.043 (2018).
  13. Sharma, J., Sharma, S. & Soni, V. Classification and impact of synthetic textile dyes on aquatic flora: A review. Reg. Stud. Mar. Sci. 45, 101802. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2021.101802 (2021).
  14. Al-Tohamy, R. et al. A critical review on the treatment of dye-containing wastewater: Ecotoxicological and health concerns of textile dyes and possible remediation approaches for environmental safety. Ecotoxicol. Environ. Saf. 231, 113160. https://doi.org/ 10.1016/j.ecoenv.2021.113160 (2022).
  15. Lellis, B., Fávaro-Polonio, C. Z., Pamphile, J. A. & Polonio, J. C. Effects of textile dyes on health and the environment and bioremediation potential of living organisms. Biotechnol. Res. Innov. 3, 275-290. https://doi.org/10.1016/j.biori.2019.09.001 (2019).
  16. Nilsson, R., Nordlinder, R., Wass, U., Meding, B. & Belin, L. Asthma, rhinitis, and dermatitis in workers exposed to reactive dyes. Br. J. Ind. Med. 50, 65-70. https://doi.org/10.1136/oem.50.1.65 (1993).
  17. Kooter, I. et al. Molecular signature of asthma-enhanced sensitivity to CuO nanoparticle aerosols from 3D cell model. ACS Nano 13, 6932-6946. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b01823 (2019).
  18. Adane, T., Adugna, A. T. & Alemayehu, E. Textile industry effluent treatment techniques. J. Chem. 2021, 5314404. https://doi.org/ 10.1155/2021/5314404 (2021).
  19. Ismail, W. et al. Water treatment and artificial intelligence techniques: A systematic literature review research. Environ. Sci. Pollut. Res. 30, 71794-71812. https://doi.org/10.1007/s11356-021-16471-0 (2023).
  20. Sikosana, M. L., Sikhwivhilu, K., Moutloali, R. & Madyira, D. M. Municipal wastewater treatment technologies: A review. Proc. Manuf. 35, 1018-1024. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.06.051 (2019).
  21. Rani, B., Nayak, A. K. & Sahu, N. K. Nanostructured Materials for Visible Light Photocatalysis 1-22 (Elsevier, 2022).
  22. Ren, G. et al. Recent advances of photocatalytic application in water treatment: A review. Nanomaterials 11, 1804 (2021).
  23. Chong, M. N., Jin, B., Chow, C. W. K. & Saint, C. Recent developments in photocatalytic water treatment technology: A review. Water Res. 44, 2997-3027. https://doi.org/10.1016/j.watres.2010.02.039 (2010).
  24. Schneider, J. et al. Understanding photocatalysis: Mechanisms and materials. Chem. Rev. 114, 9919-9986. https://doi.org/ 10.1021/cr5001892 (2014).
  25. Rajbongshi, B. M. Handbook of Smart Photocatalytic Materials 127-149 (Elsevier, 2020).
  26. Yang, X. & Wang, D. Photocatalysis: From fundamental principles to materials and applications. ACS Appl. Energy Mater. 1, 6657-6693. https://doi.org/10.1021/acsaem.8b01345 (2018).
  27. Porley, V. & Robertson, N. Nanostructured Photocatalysts 129-171 (Elsevier, 2020).
  28. Ong, W.-J., Tan, L.-L., Ng, Y. H., Yong, S.-T. & Chai, S.-P. Graphitic carbon nitride (g-C3N4)-based photocatalysts for artificial photosynthesis and environmental remediation: Are we a step closer to achieving sustainability?. Chem. Rev. 116, 7159-7329. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00075 (2016).
  29. Li, H., Liu, Y., Gao, X., Fu, C. & Wang, X. Facile synthesis and enhanced visible-light photocatalysis of graphitic carbon nitride composite semiconductors. ChemSusChem 8, 1189-1196. https://doi.org/10.1002/cssc. 201500024 (2015).
  30. Chen, Y. et al. Surface modification of g-C3N4 by hydrazine: Simple way for noble-metal free hydrogen evolution catalysts. Chem. Eng. J. 286, 339-346. https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.10.080 (2016).
  31. Jürgens, B. et al. Melem (2,5,8-Triamino-tri-s-triazine), an important intermediate during condensation of melamine rings to graphitic carbon nitride: Synthesis, structure determination by X-ray powder diffractometry, solid-state NMR, and theoretical studies. J. Am. Chem. Soc. 125, 10288-10300. https://doi.org/10.1021/ja0357689 (2003).
  32. Komatsu, T. & Nakamura, T. Polycondensation/pyrolysis of tris-s-triazine derivatives leading to graphite-like carbon nitrides. J. Mater. Chem. 11, 474-478. https://doi.org/10.1039/B005982J (2001).
  33. Xia, P., Zhu, B., Cheng, B., Yu, J. & Xu, J. 2D/2D g-C3N4/MnO2 nanocomposite as a direct Z-scheme photocatalyst for enhanced photocatalytic activity. ACS Sustain. Chem. Eng. 6, 965-973. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b03289 (2018).
  34. Chen, Y. & Bai, X. A review on quantum dots modified g-C3N4-Based photocatalysts with improved photocatalytic activity. Catalysts 10, 142 (2020).
  35. Alaghmandfard, A. & Ghandi, K. A comprehensive review of graphitic carbon nitride (g-C3N4)-metal oxide-based nanocomposites: Potential for photocatalysis and sensing. Nanomaterials 12, 294 (2022).
  36. Alam, U., Pandey, K. & Verma, N. Photocatalytic oxidation of glyphosate and reduction of Cr(VI) in water over ACF-supported CoNiWO4-gCN composite under batch and flow conditions. Chemosphere 297, 134119. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere. 2022.134119 (2022).
  37. Alam, U., Pandey, A. & Verma, N. An anthraquinone-integrated S-scheme-based composite with enhanced hydrogen production activity. Int. J. Hydrog. Energy 48, 2532-2541. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.151 (2023).
  38. Beyhaqi, A., Azimi, S. M. T., Chen, Z., Hu, C. & Zeng, Q. Exfoliated and plicated g- nanosheets for efficient photocatalytic organic degradation and hydrogen evolution. Int. J. Hydrog. Energy 46, 20547-20559. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.03. 174 (2021).
  39. Feng, J. et al. Comparing the photocatalytic properties of treated by thermal decomposition, solvothermal and protonation. Results Phys. 11, 331-334. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.09.014 (2018).
  40. Huang, T. et al. General synthesis strategy for hollow porous prismatic graphitic carbon nitride: A high-performance photocatalyst for production and degradation of RhB. J. Mater. Sci. 55, 6037-6050. https://doi.org/10.1007/s10853-020-04439-3 (2020).
  41. Rani, B., Nayak, A. K. & Sahu, N. K. Degradation of mixed cationic dye pollutant by metal free melem derivatives and graphitic carbon nitride. Chemosphere 298, 134249. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134249 (2022).
  42. Wang, H. et al. Self-assembled sulphur doped carbon nitride for photocatalytic water reforming of methanol. Chem. Eng. J. 445, 136790. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136790 (2022).
  43. Papailias, I. et al. Effect of processing temperature on structure and photocatalytic properties of g-C3N4. Appl. Surf. Sci. 358, 278-286. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.08.097 (2015).
  44. Papailias, I. et al. Chemical vs thermal exfoliation of for NOx removal under visible light irradiation. Appl. Catal. B Environ. 239, 16-26. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.07.078 (2018).
  45. Hwa, K.-Y., Santhan, A., Ganguly, A. & Kanna Sharma, T. S. Two dimensional architectures of graphitic carbon nitride with the substitution of heteroatoms for bifunctional electrochemical detection of nilutamide. Chemosphere 320, 138068. https://doi.org/ 10.1016/j.chemosphere.2023.138068 (2023).
  46. Chellammal Gayathri, R., Elakkiya, V. & Sumathi, S. Synthesis of cerium and bismuth doped nickel aluminate for the photodegradation of methylene blue, methyl orange and rhodamine B dyes. Chemosphere 303, 135056. https://doi.org/10.1016/j.chemo sphere.2022.135056 (2022).
  47. Niu, P., Zhang, L., Liu, G. & Cheng, H.-M. Graphene-like carbon nitride nanosheets for improved photocatalytic activities. Adv. Funct. Mater. 22, 4763-4770. https://doi.org/10.1002/adfm. 201200922 (2012).
  48. Zhang, J., Zhang, M., Yang, C. & Wang, X. Nanospherical carbon nitride frameworks with sharp edges accelerating charge collection and separation at a soft photocatalytic interface. Adv. Mater. 26, 4121-4126. https://doi.org/10.1002/adma.201400573 (2014).
  49. Yang, S. et al. Exfoliated graphitic carbon nitride nanosheets as efficient catalysts for hydrogen evolution under visible light. Adv. Mater. 25, 2452-2456. https://doi.org/10.1002/adma. 201204453 (2013).
  50. Yang, L. et al. A surface modification resultant thermally oxidized porous with enhanced photocatalytic hydrogen production. Appl. Catal. B Environ. 204, 335-345. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.11.047 (2017).
  51. Xu, H.-Y., Zheng, Z. & Mao, G.-J. Enhanced photocatalytic discoloration of acid fuchsine wastewater by schorl composite catalyst. J. Hazard. Mater. 175, 658-665. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.10.059 (2010).
  52. Song, X., Yang, Q., Jiang, X., Yin, M. & Zhou, L. Porous graphitic carbon nitride nanosheets prepared under self-producing atmosphere for highly improved photocatalytic activity. Appl. Catal. B Environ. 217, 322-330. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.05. 084 (2017).
  53. Gupta, R., Alam, U. & Verma, N. Efficient photofixation of nitrogen to ammonia over an S-scheme-based heterojunction. Chem. Eng. J. 479, 147644. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147644 (2024).
  54. Qu, Y. & Duan, X. Progress, challenge and perspective of heterogeneous photocatalysts. Chem. Soc. Rev. 42, 2568-2580. https:// doi.org/10.1039/C2CS35355E (2013).
  55. Samanta, S., Martha, S. & Parida, K. Facile synthesis of Au/g-C3N4 nanocomposites: An inorganic/organic hybrid plasmonic photocatalyst with enhanced hydrogen gas evolution under visible-light irradiation. ChemCatChem 6, 1453-1462. https://doi. org/10.1002/cctc. 201300949 (2014).
  56. Kang, Y. et al. An amorphous carbon nitride photocatalyst with greatly extended visible-light-responsive range for photocatalytic hydrogen generation. Adv. Mater. 27, 4572-4577. https://doi.org/10.1002/adma. 201501939 (2015).
  57. Li, Q., He, Y. & Peng, R. Graphitic carbon nitride (g-C3N4) as a metal-free catalyst for thermal decomposition of ammonium perchlorate. RSC Adv. 5, 24507-24512. https://doi.org/10.1039/C5RA01157D (2015).
  58. Xue, J., Ma, S., Zhou, Y., Zhang, Z. & He, M. Facile photochemical synthesis of with plasmon-enhanced photocatalytic activity for antibiotic degradation. ACS Appl. Mater. Interfaces 7, 9630-9637. https://doi.org/10.1021/acsami.5b01212 (2015).
  59. Kong, L. et al. Porous size dependent g-C3N4 for efficient photocatalysts: Regulation synthesizes and physical mechanism. Mater. Today Energy 13, 11-21. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2019.04.011 (2019).
  60. Phoon, B. L., Lai, C. W., Pan, G.-T., Yang, T.C.-K. & Juan, J. C. Highly mesoporous with uniform pore size distribution via the template-free method to enhanced solar-driven tetracycline degradation. Nanomaterials 11, 2041 (2021).
  61. Monga, D. & Basu, S. Enhanced photocatalytic degradation of industrial dye by nanocomposite: Role of shape of . Adv. Powder Technol. 30, 1089-1098. https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.03.004 (2019).
  62. Wang, K. et al. Sulfur-doped with enhanced photocatalytic -reduction performance. Appl. Catal. B Environ. 176-177, 44-52. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.03.045 (2015).
  63. Saravanakumar, K. & Park, C. M. Rational design of a novel double Z-scheme structure: Photocatalytic performance for antibiotic degradation and mechanistic insight. Chem. Eng. J. 423, 130076. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021. 130076 (2021).
  64. Liang, L. et al. nano-fragments as highly efficient hydrogen evolution photocatalysts: Boosting effect of nitrogen vacancy. Appl. Catal. A Gen. 599, 117618. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2020.117618 (2020).
  65. Devi, L. G. & Kavitha, R. A review on non metal ion doped titania for the photocatalytic degradation of organic pollutants under UV/solar light: Role of photogenerated charge carrier dynamics in enhancing the activity. Appl. Catal. B Environ. 140-141, 559-587. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2013.04.035 (2013).
  66. Yuan, X. et al. Facile synthesis of 3D porous thermally exfoliated nanosheet with enhanced photocatalytic degradation of organic dye. J. Coll. Interface Sci. 468, 211-219. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2016.01.048 (2016).
  67. Liu, N. et al. From Triazine to Heptazine: Origin of graphitic carbon nitride as a photocatalyst. ACS Omega 5, 12557-12567. https:// doi.org/10.1021/acsomega.0c01607 (2020).
  68. Jia, T. et al. Rational construction of direct Z -scheme hybrid photocatalyst for significant enhancement of visible-light photocatalytic activity. Appl. Surf. Sci. 499, 143941. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143941 (2020).
  69. Bahadoran, A. et al. Novel S-scheme heterojunction with enhanced photocatalytic degradation of sulfamerazine under visible light irradiation. Appl. Surf. Sci. 568, 150957. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150957 (2021).
  70. Xu, J., Wang, Z. & Zhu, Y. Enhanced Visible-light-driven photocatalytic disinfection performance and organic pollutant degradation activity of porous g-C 3 N4 nanosheets. ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 27727-27735. https://doi.org/10.1021/acsami.7b07657 (2017).

Acknowledgements

Authors would like to thank VIT management for required facilities to carry out this work. Graphical abstract was created with Biorender.com (License Number: TH268W5VVJ).

Author contributions

S.G: Synthesis, Methodology, Conceptualization, Data curation, Formal analysis, Investigation, Writing-original draft. T.K: Formal analysis, Visualization. S.S: Conceptualization, Resource, Formal analysis. A.P: Supervision, Resources, Data curation, Funding acquisition, Conceptualization, Validation, Writing-review & editing.

Competing interests

The authors declare no competing interests.

Additional information

Supplementary Information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/ 10.1038/s41598-024-52688-y.
Correspondence and requests for materials should be addressed to A.P.
Reprints and permissions information is available at www.nature.com/reprints.
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024

  1. Department of Chemistry, School of Advanced Sciences, Vellore Institute of Technology, Vellore, Tamil Nadu 632014, India. Human Organ Manufacturing Engineering (HOME), Lab, Centre for Biomaterials, Cellular and Molecular Theranostics (CBCMT), Vellore Institute of Technology, Vellore, Tamil Nadu 632014, India. Department of Electro-Optical Engineering, National Taipei University of Technology, Taipei 106, Taiwan. email: arunkumar.p@vit.ac.in