DOI: https://doi.org/10.1007/s11581-026-07204-9
تاريخ النشر: 2026-05-23
المؤلف: Meena Nanjappan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع وتقييم مركب نانو من كربيد النيتروجين الجرافيتي المدعوم بالكبريت (S-g-C3N4) مع أكسيد الحديد المنغنيزي (MnFe2O4) لقدراته الضوئية تحت الضوء المرئي. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM)، التكوين الناجح والشكل للمركب، بينما أكدت مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) وجود المنغنيز والحديد والأكسجين والكربون والنيتروجين. تم قياس فجوة الطاقة البصرية للمركب عند 1.77 eV، مما يسهل امتصاص الضوء المرئي بشكل فعال. أظهرت الأداء الضوئي تحلل كفاءات بنسبة 93.26% للصبغة الزرقاء (MB) و89.92% للأموكسيسيلين (AMX) بعد 120 دقيقة من الإشعاع، مع تحديد الأنواع التفاعلية من الأكسجين كعوامل رئيسية في عملية التحلل.
تشير النتائج إلى أن مركب MnFe2O4/S-g-C3N4 يعمل من خلال آلية نقل الشحنة من نوع S، مما يعزز فصل الشحنة ويقلل من إعادة التركيب، مما يؤدي إلى تحسين معدلات التحلل (k = 0.0226 دقيقة⁻¹ لـ MB وk = 0.0189 دقيقة⁻¹ لـ AMX). أظهرت اختبارات القابلية لإعادة الاستخدام أن حوالي 77% من الكفاءة الضوئية تم الاحتفاظ بها بعد أربع دورات، مما يبرز استقرار المادة وإمكاناتها في تطبيقات معالجة مياه الصرف المستدامة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن هذا المركب هو مرشح واعد للضوئيات الفعالة والقابلة لإعادة الاستخدام في الترميم البيئي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية الحرجة للملوثات العضوية، وخاصة الصبغة الزرقاء (MB) والأموكسيسيلين (AMX)، التي تشكل تهديدات كبيرة للتوازن البيئي وصحة الإنسان بسبب استمرارها وسميتها ومساهمتها في مقاومة المضادات الحيوية. يتطلب الإطلاق المستمر لهذه الملوثات في البيئات المائية تطوير طرق إزالة فعالة، حيث تبرز التحفيز الضوئي كعملية أكسدة متقدمة واعدة (AOP) يمكن أن تحلل المركبات الضارة إلى منتجات غير ضارة مثل CO₂ وH₂O تحت الضوء الشمسي أو المرئي.
على الرغم من إمكانيات مختلف المحفزات الضوئية القائمة على أشباه الموصلات، مثل TiO₂ وZnO وWO₃ وCuO، فإن تطبيقها العملي غالبًا ما يكون محدودًا بسبب إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب السريعة وامتصاص الضوء المحدود في منطقة الأشعة فوق البنفسجية. لمعالجة هذه القيود، تركز الدراسة الحالية على تصنيع تقاطع MnFe₂O₄/S-g-C₃N₄ من خلال طريقة كيميائية رطبة بسيطة. تهدف الأبحاث إلى دراسة آلية نقل الشحنة بين الواجهات، وتحديد الأنواع الرئيسية من الأكسجين التفاعلي المعنية، وتقييم استقرار المركب وقابليته لإعادة التدوير، وبالتالي المساهمة في تقدم المحفزات الضوئية الفعالة من نوع S-scheme لمعالجة مياه الصرف المستدامة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد لتصنيع الجسيمات النانوية والمركبات النانوية. شملت المواد الكيميائية الأساسية نترات الحديد [Fe(NO3)3•9H2O]، نترات المنغنيز [Mn(NO3)2•4H2O]، حمض الستريك، الثيويوريا، الملامين (C3H6N6)، هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، الأسيتون، الإيثانول، الماء المقطر مرتين، وصبغة الميثيلين الزرقاء. كانت جميع المواد الكيميائية من الدرجة التحليلية ومصادرها من موردين موثوقين، وتم استخدامها في التجارب دون أي خطوات تنقية إضافية. إن هذا الاختيار الدقيق للمواد أمر حاسم لضمان موثوقية وقابلية تكرار المواد النانوية المصنعة.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة من ورقة البحث تفاصيل تصنيع وتوصيف مركبات MnFe2O4/S-doped g-C3N4، مع تسليط الضوء على إمكانياتها للتطبيقات الضوئية. تم تصنيع جسيمات MnFe2O4 باستخدام طريقة الترسيب المشترك، بينما تم إعداد S-doped g-C3N4 من خلال تحميص الملامين والثيويوريا. تم تشكيل المركبات النانوية من خلال مزج كميات متساوية من كلا المادتين وتحميصهما، مما سهل دمج جسيمات MnFe2O4 في مصفوفة S-g-C3N4. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM)، ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS)، النجاح في التصنيع وسلامة الهيكل للمركبات النانوية.
تم تقييم النشاط الضوئي لمركب MnFe2O4/S-g-C3N4 باستخدام صبغة الميثيلين الزرقاء والأموكسيسيلين كملوثات نموذجية تحت إشعاع الضوء المرئي. أشارت النتائج إلى أن المركب أظهر أداءً ضوئيًا معززًا بسبب تحسين امتصاص الضوء وفصل الشحنة، والذي يُعزى إلى التفاعلات التآزرية بين العنصرين. تدعم فجوة الطاقة المنخفضة للمركب (1.77 eV) مقارنة بمكوناته الفردية (1.23 eV لـ MnFe2O4 وحوالي 2.4-2.6 eV لـ S-g-C3N4) فعاليته في التحفيز الضوئي المدفوع بالضوء المرئي. بالإضافة إلى ذلك، أظهر المركب النانوي خصائص مغناطيسية كافية لاسترداد سهل، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتطبيقات الترميم البيئي. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات مركب MnFe2O4/S-g-C3N4 كمحفز ضوئي فعال، يجمع بين المزايا الهيكلية مع كفاءة ضوئية معززة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11581-026-07204-9
Publication Date: 2026-05-23
Author(s): Meena Nanjappan et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
In this study, a sulfur-doped graphitic carbon nitride (S-g-C3N4) coupled with manganese ferrite (MnFe2O4) nanocomposite was synthesized and evaluated for its photocatalytic capabilities under visible light. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM), confirmed the successful formation and morphology of the composite, while energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) verified the presence of manganese, iron, oxygen, carbon, and nitrogen. The optical band gap of the composite was measured at 1.77 eV, facilitating effective visible light absorption. The photocatalytic performance demonstrated degradation efficiencies of 93.26% for methylene blue (MB) and 89.92% for amoxicillin (AMX) after 120 minutes of irradiation, with reactive oxygen species identified as key contributors to the degradation process.
The findings indicate that the MnFe2O4/S-g-C3N4 nanocomposite operates through a S-scheme charge transfer mechanism, which enhances charge separation and minimizes recombination, leading to improved degradation rates (k = 0.0226 min⁻¹ for MB and k = 0.0189 min⁻¹ for AMX). Reusability tests showed that approximately 77% of the photocatalytic efficiency was retained after four cycles, underscoring the material’s stability and potential for sustainable wastewater treatment applications. Overall, the results suggest that this composite is a promising candidate for efficient and reusable photocatalysts in environmental remediation.
Introduction
The introduction highlights the critical issue of organic pollutants, specifically methylene blue (MB) and amoxicillin (AMX), which pose significant threats to ecological balance and human health due to their persistence, toxicity, and contribution to antibiotic resistance. The continuous release of these pollutants into aquatic environments necessitates the development of effective removal methods, with photocatalysis emerging as a promising advanced oxidation process (AOP) that can degrade harmful compounds into benign products like CO₂ and H₂O under solar or visible light.
Despite the potential of various semiconductor-based photocatalysts, such as TiO₂, ZnO, WO₃, and CuO, their practical application is often limited by rapid electron-hole recombination and restricted optical absorption in the UV region. To address these limitations, the current study focuses on the synthesis of an MnFe₂O₄/S-g-C₃N₄ heterojunction through a simple wet chemical method. The research aims to investigate the interfacial charge transfer mechanism, identify the main reactive oxygen species involved, and evaluate the stability and recyclability of the composite, thereby contributing to the advancement of efficient S-scheme photocatalysts for sustainable wastewater treatment.
Methods
In this study, a variety of materials were utilized for the synthesis of nanoparticles and nanocomposites. The primary chemicals included iron nitrate [Fe(NO3)3•9H2O], manganese nitrate [Mn(NO3)2•4H2O], citric acid, thiourea, melamine (C3H6N6), sodium hydroxide (NaOH), acetone, ethanol, double-distilled water, and methylene blue dye. All reagents were of analytical grade and sourced from reputable suppliers, and they were employed in the experiments without any additional purification steps. This careful selection of materials is crucial for ensuring the reliability and reproducibility of the synthesized nanomaterials.
Discussion
The discussion section of the research paper details the synthesis and characterization of MnFe2O4/S-doped g-C3N4 nanocomposites, highlighting their potential for photocatalytic applications. The MnFe2O4 nanoparticles were synthesized using a co-precipitation method, while S-doped g-C3N4 was prepared through the calcination of melamine and thiourea. The resulting nanocomposites were formed by homogenizing equal amounts of both materials and calcining them, which facilitated the integration of MnFe2O4 nanoparticles into the S-g-C3N4 matrix. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), confirmed the successful synthesis and structural integrity of the nanocomposites.
The photocatalytic activity of the MnFe2O4/S-g-C3N4 nanocomposite was evaluated using methylene blue and amoxicillin as model pollutants under visible-light irradiation. The results indicated that the composite exhibited enhanced photocatalytic performance due to improved light absorption and charge separation, attributed to the synergistic interactions between the two components. The reduced band gap of the composite (1.77 eV) compared to its individual constituents (1.23 eV for MnFe2O4 and approximately 2.4-2.6 eV for S-g-C3N4) further supports its efficacy in visible-light-driven photocatalysis. Additionally, the nanocomposite demonstrated sufficient magnetic properties for easy recovery, making it a promising candidate for environmental remediation applications. Overall, the findings underscore the potential of the MnFe2O4/S-g-C3N4 nanocomposite as an effective photocatalyst, combining structural advantages with enhanced photocatalytic efficiency.