DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85268-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39755904
تاريخ النشر: 2025-01-04
المؤلف: Shaowei Qin وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تطوير محفز ضوئي جديد من نوع S-scheme، CN/BS، يتكون من g-C₃N₅ و Bi₂SiO₅، يهدف إلى تعزيز التحلل الضوئي للملوثات العضوية. تضمنت عملية التخليق عملية بسيطة من خطوتين تتضمن معالجة مائية تليها حرق. أظهر المحفز الضوئي الناتج CN/BS بنسبة 10% كفاءة ملحوظة، حيث حقق معدل إزالة قدره 98.8% من رودامين B (RhB) تحت الضوء المرئي، متفوقًا بشكل كبير على كل من Bi₂SiO₅ و g-C₃N₅. بالإضافة إلى ذلك، حقق معدل إزالة قدره 96.0% لمادة سيبروفلوكساسين (CIP)، مما يظهر تحسنًا ملحوظًا مقارنة بالمواد السابقة.
تُعزى الأداء المحفز الضوئي المحسن إلى عدة عوامل، بما في ذلك مساحة السطح المحددة الأكبر، وتحسين امتصاص الضوء، وتشكيل وصلة غير متجانسة فعالة تسهل فصل الشحنات. تقدم الدراسة فرضية S-scheme لنقل الشحنات داخل وصلة CN/BS غير المتجانسة، وهو أمر حاسم لتعزيز الفهم النظري والتطبيقات العملية للمواد المحفزة ضوئيًا. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات محفز CN/BS في مواجهة التحديات البيئية التي تطرحها الملوثات العضوية المستمرة مثل RhB و CIP، مما يبرز أهمية تطوير محفزات ضوئية فعالة من أجل الترميم البيئي المستدام.
طرق
في قسم طرق التجارب، استخدمت الدراسة مجموعة من المواد الكيميائية ذات الدرجة التحليلية، بما في ذلك نترات البزموت خماسية الماء ($\text{Bi}_2(\text{NO}_3)_3 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$)، ميتا سيليكات الصوديوم غير المائي ($\text{Na}_2\text{SiO}_3 \cdot 9\text{H}_2\text{O}$)، و3-أمينو-1،2،4-تريازول (3-AT). تضمنت المواد الإضافية بروميد تريميثيل هكسادسيل الأمونيوم (CTAB)، الإيثانول، رودامين B (RhB)، إيزوبروبانول (IPA)، بنزوكوينون (BQ)، حمض الكبريتيك المركز ($\text{H}_2\text{SO}_4$)، ملح ثنائي الصوديوم لحمض الإيثيلين ثنائي الأمين تتراسيتيك (EDTA-2Na)، وهيدروكسيد الصوديوم ($\text{NaOH}$).
تم اختيار هذه المواد الكيميائية لصفائها وملاءمتها للإجراءات التجريبية، التي تهدف إلى دراسة خصائص وتفاعلات المركبات التي تم تخليقها. يعتبر الاختيار الدقيق للمواد أمرًا حيويًا لضمان موثوقية و reproducibility النتائج التجريبية.
نقاش
في هذه الدراسة، تم التحقيق بدقة في تخليق وتوصيف محفز ضوئي جديد، CN/BS، يتكون من g-C₃N₅ و Bi₂SiO₅. تضمنت عملية التخليق سلسلة من العمليات الكيميائية، بما في ذلك إذابة المواد السابقة، المعالجة المائية، والطحن لتحقيق الهيكل المركب المطلوب. أكدت تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، مجهر الإلكترون الناقل (TEM)، ومطيافية الإلكترون الضوئي بالأشعة السينية (XPS) التكامل الناجح لـ g-C₃N₅ و Bi₂SiO₅، كاشفة عن خصائصها البلورية ومجموعاتها الوظيفية. من الجدير بالذكر أن المركب أظهر نشاطًا محفزًا ضوئيًا معززًا لتحلل الملوثات العضوية، وخاصة رودامين B (RhB) وسيبروفلوكساسين (CIP)، متفوقًا على المكونات الفردية.
تمت الإشارة إلى الأداء المحفز الضوئي بسبب تشكيل وصلة غير متجانسة من النوع S بين g-C₃N₅ و Bi₂SiO₅، مما سهل فصل ونقل الشحنات بكفاءة. أظهر المركب CN/BS بنسبة 10% كفاءة تحلل رودامين B قدرها 98.53% خلال 105 دقائق ومعدل تحلل سيبروفلوكساسين قدره 96.0% في 120 دقيقة. كما سلطت الدراسة الضوء على استقرار وإعادة استخدام مركب CN/BS، مع الحفاظ على كفاءة تحفيز ضوئي عالية عبر دورات متعددة. علاوة على ذلك، حددت مسار التحلل المقترح الثقوب (h⁺)، والجذور الهيدروكسيلية (•OH)، والجذور الفائقة الأكسيد (•O₂⁻) كأنواع تفاعلية رئيسية في العملية المحفزة ضوئيًا. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن مركب CN/BS هو مادة واعدة لتطبيقات الترميم البيئي، مما يظهر إمكانيته في التحلل الضوئي الفعال للملوثات العضوية تحت ظروف مختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85268-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39755904
Publication Date: 2025-01-04
Author(s): Shaowei Qin et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
This research presents the development of a novel S-scheme heterojunction photocatalyst, CN/BS, composed of g-C₃N₅ and Bi₂SiO₅, aimed at enhancing the photocatalytic degradation of organic pollutants. The synthesis involved a straightforward two-step process of hydrothermal treatment followed by calcination. The resulting 10% CN/BS photocatalyst demonstrated remarkable efficiency, achieving a 98.8% removal rate of Rhodamine B (RhB) under visible light, significantly outperforming both Bi₂SiO₅ and g-C₃N₅. Additionally, it achieved a 96.0% removal rate for Ciprofloxacin (CIP), showcasing a marked improvement over the precursor materials.
The enhanced photocatalytic performance is attributed to several factors, including a larger specific surface area, improved light absorption, and the formation of an effective heterojunction that facilitates charge separation. The study introduces the S-scheme hypothesis for charge transport within the CN/BS heterojunction, which is crucial for advancing the theoretical understanding and practical applications of photocatalytic materials. Overall, the findings underscore the potential of the CN/BS photocatalyst in addressing environmental challenges posed by persistent organic pollutants like RhB and CIP, highlighting the importance of developing efficient photocatalysts for sustainable environmental remediation.
Methods
In the experimental methods section, the study utilized a range of analytical grade reagents, including bismuth nitrate pentahydrate ($\text{Bi}_2(\text{NO}_3)_3 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$), sodium metasilicate nonahydrate ($\text{Na}_2\text{SiO}_3 \cdot 9\text{H}_2\text{O}$), and 3-amino-1,2,4-triazole (3-AT). Additional materials included hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTAB), ethanol, rhodamine B (RhB), isopropanol (IPA), benzoquinone (BQ), concentrated sulfuric acid ($\text{H}_2\text{SO}_4$), ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt (EDTA-2Na), and sodium hydroxide ($\text{NaOH}$).
These reagents were selected for their purity and suitability for the experimental procedures, which aimed to investigate the properties and interactions of the synthesized compounds. The careful selection of materials is crucial for ensuring the reliability and reproducibility of the experimental results.
Discussion
In this study, the synthesis and characterization of a novel photocatalyst, CN/BS, composed of g-C₃N₅ and Bi₂SiO₅, were thoroughly investigated. The synthesis involved a series of chemical processes, including the dissolution of precursors, hydrothermal treatment, and grinding to achieve the desired composite structure. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy (TEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the successful integration of g-C₃N₅ and Bi₂SiO₅, revealing their crystalline properties and functional groups. Notably, the composite exhibited enhanced photocatalytic activity for the degradation of organic pollutants, specifically Rhodamine B (RhB) and ciprofloxacin (CIP), outperforming the individual components.
The photocatalytic performance was attributed to the formation of an S-type heterojunction between g-C₃N₅ and Bi₂SiO₅, which facilitated efficient charge carrier separation and migration. The optimal 10% CN/BS composite demonstrated a remarkable RhB degradation efficiency of 98.53% within 105 minutes and a CIP degradation rate of 96.0% in 120 minutes. The study also highlighted the stability and reusability of the CN/BS composite, maintaining high photocatalytic efficiency across multiple cycles. Furthermore, the proposed degradation pathway identified holes (h⁺), hydroxyl radicals (•OH), and superoxide radicals (•O₂⁻) as key reactive species in the photocatalytic process. Overall, the findings suggest that the CN/BS composite is a promising material for environmental remediation applications, showcasing its potential for efficient photocatalytic degradation of organic pollutants under various conditions.