DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39505-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41656434
تاريخ النشر: 2026-02-09
المؤلف: Samira Mohammaddarvish وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع مركب TiO$_2$/SiO$_2$/g-C$_3$N$_4$/MWCNT عبر طريقة الهيدروحرارية، مما يظهر الوظيفة المزدوجة كعامل تحفيز ضوئي وامتصاص لإزالة الملوثات الدوائية والصبغية من الماء. كشفت تقنيات التوصيف مثل FESEM وEDX وXRD وBET وFTIR وPL وUV-Vis عن هيكل شبيه بالزهور مع حجم بلوري متوسط يبلغ حوالي 21.3 نانومتر. أدى دمج أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) إلى تعزيز النشاط التحفيزي الضوئي بشكل كبير، حيث تم تحقيق 92% من التحلل لمحلول ميثيلين الأزرق (MB) بتركيز 20 ملغ/لتر وتحسين إزالة التتراسيكلين (TC) في مياه غنية بكربونات الكالسيوم.
تسلط الدراسة الضوء على الدور الحاسم لأنابيب MWCNTs كمواد حساسة للضوء المرئي وخزانات للإلكترونات، مما يسهل فصل الشحنات وهجرتها بكفاءة من خلال آلية Z-scheme المباشرة تحت الضوء المرئي. أظهر المركب المحسن أداءً متفوقًا مقارنةً بنظيره الخالي من MWCNT، حيث حقق 92% من إزالة TC في كل من المياه المنزوعة الأيونات والمياه الصعبة، بينما أظهر مركب TiO$_2$/SiO$_2$/g-C$_3$N$_4$ كفاءات أقل. وهذا يشير إلى أن العامل التحفيزي الضوئي المطور يحافظ على كفاءة تحلل عالية حتى في البيئات المائية المعقدة، مما يعالج التحدي العاجل لإزالة الملوثات المستمرة مثل TC من مصادر المياه.
طرق
تحدد قسم “طرق” الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة. قام الباحثون بإجراء سلسلة من التجارب المنضبطة للتحقيق في الفرضيات المحددة. تم التلاعب بالمتغيرات الرئيسية بشكل منهجي، وتم إنشاء ضوابط مناسبة لضمان موثوقية النتائج. شملت طرق جمع البيانات قياسات كمية وملاحظات نوعية، والتي تم تحليلها باستخدام تقنيات إحصائية لتقييم الأهمية.
تضمن التصميم التجريبي تكرارات لتعزيز قوة النتائج، وتم إخضاع النتائج لتحليل إحصائي صارم للتحقق من الاستنتاجات المستخلصة. تعتبر المنهجيات المستخدمة حاسمة لضمان قابلية تكرار الدراسة ولتوفير أساس قوي لتفسير البيانات. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة لمعالجة أسئلة البحث بفعالية مع تقليل التحيزات المحتملة.
مناقشة
شمل تصنيع مركب TiO₂/SiO₂/g-C₃N₄/MWCNT عملية متعددة الخطوات، بدءًا من إذابة اليوريا في الميثانول وحمض الأسيتيك، تليها إضافة بولي إيثيلين جلايكول، وتيترا إيثيل أورثوسيليكات، وتيتانيوم (IV) ن-بوتوكسيد. خضعت الخلطة لمعالجة هيدروحرارية وتجفيف وحرق لاحق لتحقيق الهيكل المركب المطلوب. وُجد أن دمج أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) بتركيزات متفاوتة (من 0 wt% إلى 55 wt%) يعزز القوة الميكانيكية ونقل حاملات الشحنة داخل المركب، مما يحسن في النهاية أدائه التحفيزي الضوئي.
أظهرت الاختبارات التحفيزية الضوئية أن مركب TiO₂/SiO₂/g-C₃N₄/MWCNT أظهر كفاءة تحلل متفوقة لمادة ميثيلين الأزرق (MB) والتتراسيكلين (TC) تحت إشعاع الضوء المرئي. أدى التركيز الأمثل لـ MWCNT (11 wt%) إلى زيادة كبيرة في تحلل MB من 83% إلى 92% خلال 150 دقيقة. ومع ذلك، أدى محتوى MWCNT المفرط إلى انخفاض النشاط التحفيزي الضوئي، على الأرجح بسبب انسداد مواقع السطح. حافظ المركب على كفاءة تحلل عالية في كل من المياه المنزوعة الأيونات والمياه الصعبة الاصطناعية، ويعزى ذلك إلى قدرة MWCNTs على تعزيز فصل الشحنة وتقليل إعادة اتحاد الإلكترونات والثقوب. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك FESEM وXRD وFT-IR، على التكامل الناجح واستقرار مكونات المركب، بينما أشار تحليل BET إلى انخفاض طفيف في المساحة السطحية مع دمج MWCNT، مما لم يؤثر سلبًا على النشاط التحفيزي الضوئي. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات مركب TiO₂/SiO₂/g-C₃N₄/MWCNT في تحلل الملوثات بشكل فعال في ظروف مائية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39505-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41656434
Publication Date: 2026-02-09
Author(s): Samira Mohammaddarvish et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
In this study, a TiO$_2$/SiO$_2$/g-C$_3$N$_4$/MWCNT composite was synthesized via a hydrothermal method, demonstrating dual functionality as a photocatalyst and adsorbent for the removal of pharmaceutical and dye pollutants from water. Characterization techniques such as FESEM, EDX, XRD, BET, FTIR, PL, and UV-Vis spectroscopy revealed a hierarchical flower-like structure with an average crystallite size of approximately 21.3 nm. The incorporation of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) significantly enhanced the photocatalytic activity, achieving 92% degradation of a 20 mg/L methylene blue (MB) solution and improving tetracycline (TC) removal in CaCO$_3$-rich water.
The study highlights the critical role of MWCNTs as visible-light photosensitizers and electron reservoirs, which facilitate efficient charge separation and migration through a direct Z-scheme mechanism under visible light. The optimized composite exhibited superior performance compared to its MWCNT-free counterpart, achieving 92% removal of TC in both deionized and hard water, while the TiO$_2$/SiO$_2$/g-C$_3$N$_4$ composite showed lower efficiencies. This indicates that the developed photocatalyst maintains high degradation efficiency even in complex aqueous environments, addressing the urgent challenge of removing persistent pollutants like TC from water sources.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental procedures employed in the study. The researchers conducted a series of controlled experiments to investigate the specified hypotheses. Key variables were systematically manipulated, and appropriate controls were established to ensure the reliability of the results. Data collection methods included quantitative measurements and qualitative observations, which were analyzed using statistical techniques to assess significance.
The experimental design incorporated replicates to enhance the robustness of the findings, and the results were subjected to rigorous statistical analysis to validate the conclusions drawn. The methodologies employed are critical for ensuring the reproducibility of the study and for providing a solid foundation for the interpretation of the data. Overall, the methods utilized were designed to address the research questions effectively while minimizing potential biases.
Discussion
The synthesis of the TiO₂/SiO₂/g-C₃N₄/MWCNT composite involved a multi-step process, starting with the dissolution of urea in methanol and acetic acid, followed by the addition of polyethylene glycol, tetraethyl orthosilicate, and titanium (IV) n-butoxide. The mixture underwent hydrothermal treatment and subsequent drying and calcination to achieve the desired composite structure. The incorporation of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) at varying concentrations (0 wt% to 55 wt%) was found to enhance the mechanical strength and charge carrier transport within the composite, ultimately improving its photocatalytic performance.
Photocatalytic tests demonstrated that the TiO₂/SiO₂/g-C₃N₄/MWCNT composite exhibited superior degradation efficiency for methylene blue (MB) and tetracycline (TC) under visible light irradiation. The optimal MWCNT concentration (11 wt%) resulted in a significant increase in MB degradation from 83% to 92% over 150 minutes. However, excessive MWCNT content led to decreased photocatalytic activity, likely due to surface site blockage. The composite maintained high degradation efficiency in both deionized and artificially hard water, attributed to MWCNTs’ ability to enhance charge separation and minimize electron-hole recombination. Characterization techniques, including FESEM, XRD, and FT-IR, confirmed the successful integration and stability of the composite’s components, while BET analysis indicated a slight reduction in surface area with MWCNT incorporation, which did not adversely affect photocatalytic activity. Overall, the study highlights the potential of the TiO₂/SiO₂/g-C₃N₄/MWCNT composite for effective pollutant degradation in various water conditions.