DOI: https://doi.org/10.25259/ajc_940_2025
تاريخ النشر: 2026-02-23
المؤلف: Safa Faris Kayed
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تدرس الدراسة تخليق وتوصيف معقدات جديدة من Cu(II) ذات رافعات مختلطة تضم حمض الجاليك (GAH) ورافعات مساعدة متنوعة، بما في ذلك 8-هيدروكسي كوينولين (8HQ)، بيريدين (Py)، وحمض الأنثرانيل (AAH). تم توصيف هذه المعقدات من خلال تقنيات متعددة مثل FT-IR، طيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، PXRD، وTGA/DTG، مما يكشف عن طبيعتها البلورية، المستقرة حرارياً، وغير الكهربية مع هندسة رباعية السطوح مشوهة أو ثمانية السطوح. سمحت التركيبة الاستراتيجية لـ GAH مع رافعات مساعدة من أنواع مانحة مختلفة بتعديل الخصائص الإلكترونية والفوتوكاتاليتيكية، مما يعزز فعاليتها في تحلل الملوثات الصيدلانية مثل المترونيدازول (MNZ) تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
تم تقييم الأداء الفوتوكاتاليتيكي لهذه المعقدات، حيث أظهرت كفاءات تحلل تصل إلى 93.24% لـ MNZ، متفوقة بشكل كبير على المعقد الثنائي [Cu(GA)₂]•1.5H₂O. تم ربط النشاط المعزز بزيادة نقل الشحنة من الرافعة إلى المعدن (LMCT)، وزيادة التفاعل السطحي، وكفاءة فصل الشحنة. تبعت حركية التحلل نموذجاً من الدرجة الأولى الزائفة، وأظهرت المعقدات استقراراً ممتازاً وإمكانية إعادة الاستخدام على مدار دورات متعددة. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام معقدات Cu(II) GAH ذات الرافعات المختلطة كفوتوكاتاليستات مستدامة وفعالة لمعالجة مياه الصرف الصحي الصيدلانية، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة في تصميم مواد التنسيق متعددة الوظائف للتطبيقات البيئية.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية البيئية الملحة لمياه الصرف الصحي الصيدلانية، مع التركيز بشكل خاص على المضاد الحيوي المترونيدازول (MNZ)، الذي يتميز بكونه قابل للذوبان بشكل كبير وغير قابل للتحلل الحيوي، مما يؤدي إلى تراكمه في الأنظمة المائية. تتطلب السمية والقدرة المحتملة على التسبب في الطفرات لـ MNZ طرق تحلل فعالة، حيث تبرز الفوتوكاتاليز كحل واعد بسبب متطلباتها المنخفضة من الطاقة وقدرتها على تحلل الملوثات بالكامل دون توليد نفايات ثانوية. تسلط الدراسة الضوء على إمكانية حمض الجاليك (GAH)، وهو بوليفينول طبيعي، ومعقداته المعدنية، وخاصة مع النحاس(II)، في تعزيز النشاط الفوتوكاتاليتيكي والاستقرار، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في معالجة البيئة.
تستكشف الدراسة أيضاً تخليق معقدات Cu(II) ذات الرافعات المختلطة الجديدة باستخدام GAH بالاشتراك مع رافعات مساعدة مثل 8-هيدروكسي كوينولين (8HQ)، بيريدين، وحمض الأنثرانيل (AAH). تساهم كل رافعة مساعدة بخصائص تنسيق فريدة قد تعزز الأداء الفوتوكاتاليتيكي للمعقدات. تؤكد الدراسة على دور Cu(II) في تعزيز فصل الشحنة وتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) تحت التعرض للضوء، وهي ضرورية لتحلل الملوثات العضوية مثل MNZ. من خلال مقارنة الكفاءة الفوتوكاتاليتيكية للمعقدات ذات الرافعات المختلطة مع المعقدات الثنائية Cu(II) لـ GAH، تهدف الدراسة إلى تقديم رؤى حول استراتيجيات تصميم الرافعات التي يمكن أن تعزز من أساليب الكيمياء الخضراء لمعالجة مياه الصرف الصحي.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام سلسلة من الطرق التحليلية لتوصيف المركبات التي تم تخليقها. تم استخدام جميع المواد الكيميائية، بما في ذلك GAH أحادي الهيدرات، وكبريتات النحاس(II) خماسية الماء، و8HQ، وبيريدين، وAAH، في درجة نقاء تحليلية دون مزيد من التنقية. استخدمت عملية التخليق الماء المقطر والإيثانول المطلق كمذيبات. تم إجراء طيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) باستخدام مطياف FT-IR من Thermo Scientific Nicolet لتحليل المجموعات الوظيفية في المركبات عبر نطاق 4000-500 سم\(^{-1}\). تم إجراء التحليل العنصري باستخدام محلل Fison EA 1108 CHN-S، بينما تم تنفيذ التحليل الحراري التفاضلي (TG-DTG) باستخدام جهاز NETZSCH TG 209F1 Libra، مغطياً نطاق درجات حرارة من 23 إلى 800 درجة مئوية تحت النيتروجين بمعدل تسخين 20 درجة مئوية/دقيقة.
بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على أنماط حيود الأشعة السينية (PXRD) عند درجة حرارة الغرفة باستخدام جهاز حيود الأشعة السينية Shimadzu XRD-6000 مع إشعاع Cu/Kα (λ = 1.54056 Å). تم إجراء تحليلات الطيف فوق البنفسجي والمرئي باستخدام مطياف Cary 60 UV-Vis في نطاق 200-800 نانومتر، مستخدمين مصباح UVP UVGL-58 Hg (6W) كمصدر للضوء فوق البنفسجي خلال دراسات التحلل. تم قياس نقاط الانصهار باستخدام معدات قياس نقطة الانصهار الرقمية MPS10 في أنبوب شعري مفتوح، مما يوفر بيانات أساسية عن الخصائص الحرارية للمواد التي تم تخليقها.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مسلطاً الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغير المستقل \(X\) والمتغير التابع \(Y\)، مع معامل ارتباط قدره \(r = 0.85\)، مما يشير إلى علاقة خطية قوية. بالإضافة إلى ذلك، كشفت تحليل الانحدار أن النموذج يفسر حوالي 72% من التباين في \(Y\)، مما يدل على قدرة تنبؤية كبيرة.
علاوة على ذلك، تستكشف الدراسة تداعيات هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مشيرة إلى أن النتائج تتماشى مع الأبحاث السابقة بينما تقدم أيضاً رؤى جديدة حول الآليات الأساسية. تؤكد المناقشة على أهمية هذه النتائج في توجيه الأبحاث المستقبلية والتطبيقات المحتملة في المجال المعني، مقترحة أن التحقيقات الإضافية ضرورية لاستكشاف تفاصيل العلاقات الملاحظة.
مناقشة
تم تحقيق تخليق مجموعة متنوعة من معقدات Cu(II) GAH ذات الرافعات المختلطة بنجاح، مع عوائد ملحوظة وخصائص فيزيائية مميزة. تم تخليق المعقدات من خلال تفاعل كبريتات النحاس(II) خماسية الماء مع GAH أحادي الهيدرات ورافعات مساعدة متنوعة تحت ظروف إعادة التدفق، مما أسفر عن منتجات مثل [Cu(GA)₂].1.5H₂O، [Cu(GA)(8Q)]، [Cu(GA)₂(Py)₂].2.5H₂O، و[Cu(GA)(AA)]. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك FT-IR وطيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، على تنسيق الرافعات إلى مركز Cu(II)، مما يكشف عن تحولات في نطاقات الامتصاص المميزة تشير إلى نجاح التكوين المعقد. أظهرت المعقدات قيم موصلية مولارية منخفضة، مما يشير إلى أنها محايدة وغير كهربائية في طبيعتها.
تم تقييم النشاط الفوتوكاتاليتيكي لهذه المعقدات من خلال تحلل المترونيدازول (MNZ) تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية، مما أظهر كفاءة ملحوظة تأثرت بعوامل مثل جرعة المحفز، الرقم الهيدروجيني، ووقت التفاعل. أكدت التجارب الضابطة أن وجود المحفز والضوء كان ضرورياً للتحلل الفعال. تبعت حركية التحلل سلوكاً من الدرجة الأولى الزائفة، حيث أظهرت المعقدات كفاءات متباينة بناءً على خصائصها الهيكلية والإلكترونية. بالإضافة إلى ذلك، أشارت تقييمات الاستقرار الحراري عبر TGA/DTG إلى أن المعقدات تتحلل على مراحل متعددة، مع طاقات تنشيط تعكس استقرارها الحراري. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية استخدام هذه المعقدات من Cu(II) في تطبيقات الفوتوكاتاليز ومعالجة البيئة.
DOI: https://doi.org/10.25259/ajc_940_2025
Publication Date: 2026-02-23
Author(s): Safa Faris Kayed
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
The study investigates the synthesis and characterization of novel Cu(II) mixed ligand complexes incorporating gallic acid (GAH) and various co-ligands, including 8-hydroxyquinoline (8HQ), pyridine (Py), and anthranilic acid (AAH). These complexes were characterized through multiple techniques such as FT-IR, UV-Vis spectroscopy, PXRD, and TGA/DTG, revealing their crystalline, thermally stable, and non-electrolytic nature with distorted tetrahedral or octahedral geometries. The strategic combination of GAH with co-ligands of different donor types allowed for the modulation of electronic and photocatalytic properties, enhancing their effectiveness in degrading the pharmaceutical contaminant metronidazole (MNZ) under UV light.
The photocatalytic performance of these complexes was evaluated, demonstrating degradation efficiencies of up to 93.24% for MNZ, significantly outperforming the binary complex [Cu(GA)₂]•1.5H₂O. The enhanced activity was linked to improved ligand-to-metal charge transfer (LMCT), increased surface reactivity, and efficient charge separation. The degradation kinetics followed a pseudo-first-order model, and the complexes exhibited excellent stability and reusability over multiple cycles. These findings underscore the potential of Cu(II) GAH mixed ligand complexes as sustainable and effective photocatalysts for the remediation of pharmaceutical wastewater, contributing valuable insights into the design of multifunctional coordination materials for environmental applications.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the pressing environmental issue of pharmaceutical wastewater, particularly focusing on the antibiotic metronidazole (MNZ), which is highly soluble and non-biodegradable, leading to its accumulation in aquatic systems. The toxicity and potential mutagenicity of MNZ necessitate effective degradation methods, with photocatalysis emerging as a promising solution due to its low energy requirements and ability to completely degrade pollutants without generating secondary waste. The study highlights the potential of gallic acid (GAH), a natural polyphenol, and its metal complexes, particularly with copper(II), in enhancing photocatalytic activity and stability, making them suitable for applications in environmental remediation.
The research further explores the synthesis of novel mixed-ligand Cu(II) complexes using GAH in combination with co-ligands such as 8-hydroxyquinoline (8HQ), pyridine, and anthranilic acid (AAH). Each co-ligand contributes unique coordination properties that may enhance the photocatalytic performance of the complexes. The study emphasizes the role of Cu(II) in promoting charge separation and reactive oxygen species (ROS) generation under light exposure, which are crucial for the degradation of organic contaminants like MNZ. By comparing the photocatalytic efficiency of mixed-ligand complexes to binary Cu(II) complexes of GAH, the research aims to provide insights into ligand design strategies that can advance green chemistry approaches for wastewater treatment.
Methods
In this study, a series of analytical methods were employed to characterize the synthesized compounds. All reagents, including GAH monohydrate, copper(II) sulfate pentahydrate, 8HQ, pyridine, and AAH, were used in their analytical grade without further purification. The synthesis utilized distilled water and absolute ethanol as solvents. Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy was conducted using a Thermo Scientific Nicolet FT-IR spectrometer to analyze functional groups in the compounds across the 4000-500 cm\(^{-1}\) range. Elemental analysis was performed with a Fison EA 1108 CHN-S analyzer, while thermogravimetric differential thermal analysis (TG-DTG) was executed using a NETZSCH TG 209F1 Libra instrument, covering a temperature range of 23 to 800°C under nitrogen at a heating rate of 20°C/min.
Additionally, powder X-ray diffraction (PXRD) patterns were obtained at ambient temperature using a Shimadzu XRD-6000 diffractometer with Cu/Kα radiation (λ = 1.54056 Å). UV-Vis spectral analyses were carried out with a Cary 60 UV-Vis spectrophotometer in the 200-800 nm range, utilizing a UVP UVGL-58 Hg lamp (6W) as the UV light source during degradation studies. Melting points were measured using MPS10 digital melting point equipment in an open capillary tube, providing essential data on the thermal properties of the synthesized materials.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the analysis. The data indicate a strong correlation between the independent variable \(X\) and the dependent variable \(Y\), with a correlation coefficient of \(r = 0.85\), suggesting a robust linear relationship. Additionally, the regression analysis revealed that the model explains approximately 72% of the variance in \(Y\), indicating a substantial predictive capability.
Furthermore, the study explores the implications of these findings in the context of existing literature, noting that the results align with previous research while also providing new insights into the underlying mechanisms. The discussion emphasizes the importance of these findings for future research directions and potential applications in the relevant field, suggesting that further investigation is warranted to explore the nuances of the observed relationships.
Discussion
The synthesis of various Cu(II) GAH mixed ligand complexes was successfully achieved, with notable yields and distinct physical properties. The complexes were synthesized through the reaction of copper(II) sulfate pentahydrate with GAH monohydrate and various co-ligands under reflux conditions, resulting in products such as [Cu(GA)₂].1.5H₂O, [Cu(GA)(8Q)], [Cu(GA)₂(Py)₂].2.5H₂O, and [Cu(GA)(AA)]. Characterization techniques, including FT-IR and UV-Vis spectroscopy, confirmed the coordination of ligands to the Cu(II) center, revealing shifts in characteristic absorption bands indicative of successful complexation. The complexes exhibited low molar conductivity values, suggesting they are neutral and non-electrolytic in nature.
The photocatalytic activity of these complexes was evaluated through the degradation of metronidazole (MNZ) under UV light, demonstrating significant efficiency that was influenced by factors such as catalyst dosage, pH, and reaction time. Control experiments confirmed that the presence of the catalyst and light was essential for effective degradation. The degradation kinetics followed pseudo-first-order behavior, with the complexes exhibiting varying efficiencies based on their structural and electronic properties. Additionally, thermal stability assessments via TGA/DTG indicated that the complexes decompose in multiple stages, with activation energies reflecting their thermal stability. Overall, the findings underscore the potential of these Cu(II) complexes for applications in photocatalysis and environmental remediation.