DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-07444-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41028899
تاريخ النشر: 2025-09-30
المؤلف: Calvin Manasseh Manivel وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع مركب من ZIF-8 والجرافين (Gr) وتم تقييم أدائه الضوئي لتحلل الليفوفلوكساسين (LVX) تحت ضوء UV منخفض الكثافة. أظهر المركب تحسينًا في فصل الشحنات وزيادة في توليد الأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS)، وخاصة الجذور الهيدروكسيلية (•OH)، وأنيونات السوبر أكسيد (•O₂⁻)، والثقوب (h⁺)، مقارنة بالمكونات الفردية. تحت الظروف المثلى – 20 ملغ من المحفز في محلول LVX بتركيز 5 ملغ/لتر عند درجة حموضة محايدة – حقق المركب كفاءة تحلل بلغت 25.70% بعد 120 دقيقة، وفقًا لديناميات من الدرجة الأولى الزائفة. على الرغم من معدل التحلل المتواضع، أظهر المحفز أداءً فعالًا تحت ظروف الطاقة المنخفضة وأظهر نشاطًا مضادًا للبكتيريا انتقائيًا ضد E. coli في غياب الضوء.
تشير النتائج إلى أن مركبات ZIF-8/Gr هي مواد ثنائية الوظائف واعدة لإزالة الملوثات والسيطرة على الميكروبات في تطبيقات المياه العادمة ذات الطاقة المحدودة. ومع ذلك، سلطت الدراسة الضوء أيضًا على انخفاض كبير في أداء المحفز على مدى ثلاث دورات إعادة استخدام، مما يشير إلى ضرورة تحسين استراتيجيات التجديد أو طرق التثبيت. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تعزيز كفاءة التحلل، واستكشاف مسارات معدنة الملوثات من خلال الكروماتوغرافيا السائلة-مطيافية الكتلة (LC-MS)، وضمان استقرار المحفز على المدى الطويل للتطبيقات العملية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك 2-ميثيل إيميدازول، الميثانول، نترات الزنك سداسية الماء ($\text{Zn(NO}_3)_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$)، وتعليق أكسيد الجرافين (GO)، تم الحصول عليها من موردين في الصين وماليزيا واليابان. بالإضافة إلى ذلك، تم شراء حمض الهيدروكلوريك (HCl)، هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، والليفوفلوكساسين للتجارب، جميعها من الدرجة التحليلية وتم استخدامها دون مزيد من التنقية. تم إعداد المحاليل باستمرار باستخدام مياه منزوع الأيونات، مع الحفاظ على نطاق درجة حموضة من 6.5 إلى 7 طوال الإجراءات التجريبية.
نتائج
يقدم قسم النتائج تحليلًا شاملاً للخصائص الهيكلية والبصرية لأكسيد الجرافين المخفض (Gr)، ZIF-8، ومركبهم. تكشف صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن Gr المخفض يظهر شكلًا مجعدًا يشبه الورقة مما يسهل مساحة سطح عالية ومرونة، مما يسهل توزيع جزيئات ZIF-8. تشير جزيئات ZIF-8، المميزة بتجمعات غير منتظمة وسطح خشن مسامي، إلى إمكانية للاستخدام في الامتصاص والتطبيقات الحفزية. يتم تأكيد دمج ZIF-8 على ركيزة Gr من خلال ترتيبات مكانية مميزة، مما يعزز نقل الشحنات بين الواجهات الذي يعزز الأداء الضوئي.
تشير مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) إلى أن إطار ZIF-8 يحتفظ بسلامته الهيكلية، مع وجود نطاقات اهتزازية مميزة، على الرغم من انخفاض الكثافة في المركب بسبب التفاعلات القوية بين الواجهات. تؤكد أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) على الكريستالية العالية لـ ZIF-8 ووجود Gr المخفض جزئيًا، مع دليل على تحول الطور إلى ZnO خلال المعالجة الهيدروحرارية. تُظهر الخصائص البصرية، التي تم تقييمها من خلال طيف امتصاص UV-Vis ومخططات Tauc، أن مركب ZIF-8/Gr يظهر امتصاصًا محسنًا للضوء وفجوة بصرية مخفضة قدرها 3.49 eV، تُعزى إلى التفاعلات التآزرية بين المادتين. يشير هذا الانخفاض في فجوة الطاقة إلى تحسين قدرات حصاد الضوء، مما يعزز التطبيقات المحتملة للمركب في التحفيز الضوئي وحقول أخرى.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تصنيع وتوصيف ZIF-8 ومركبه مع الجرافين (ZIF-8/Gr)، جنبًا إلى جنب مع خصائصه الضوئية، المضادة للبكتيريا، ومضادات الأكسدة. يتم تصنيع ZIF-8 عبر طريقة الترسيب المشترك، بينما يتم إنتاج ZIF-8/Gr باستخدام نهج هيدروحراري، مما يعزز خصائص المادة لتطبيقات متنوعة. يتم استخدام تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتحليل الخصائص الهيكلية والشكلية للمواد المصنعة.
يتم تقييم الأداء الضوئي لـ ZIF-8 وZIF-8/Gr من خلال تحلل الليفوفلوكساسين (LVX) تحت إشعاع UV. تشير النتائج إلى أن ZIF-8/Gr يظهر كفاءة تحلل متفوقة بسبب تحسين فصل الشحنات وتقليل إعادة اتحاد الإلكترونات والثقوب، المنسوبة إلى التفاعل التآزري بين ZIF-8 وGr. تستكشف الدراسة أيضًا تأثيرات تحميل المحفز، وتركيز الملوثات الأولية، ودرجة الحموضة على كفاءة التحلل، مما يكشف أن الظروف المثلى تؤثر بشكل كبير على العملية الضوئية. علاوة على ذلك، يتم تقييم النشاط المضاد للبكتيريا لـ ZIF-8/Gr ضد E. coli وS. aureus، مما يظهر فعالية معتدلة ضد E. coli ولكن نشاط محدود ضد S. aureus. أخيرًا، وُجد أن النشاط المضاد للأكسدة لـ ZIF-8/Gr ضئيل، مما يشير إلى أن نقص قدرته على التبرع بالإلكترونات قد يعزز كفاءته الضوئية من خلال السماح بمشاركة أكبر في تفاعلات التحلل المدفوعة بالأنواع التفاعلية من الأكسجين (ROS).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-07444-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41028899
Publication Date: 2025-09-30
Author(s): Calvin Manasseh Manivel et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
In this study, a composite of ZIF-8 and graphene (Gr) was synthesized and its photocatalytic performance for the degradation of levofloxacin (LVX) was assessed under low-intensity UV light. The composite demonstrated enhanced charge separation and increased generation of reactive oxygen species (ROS), specifically hydroxyl radicals (•OH), superoxide anions (•O₂⁻), and holes (h⁺), compared to the individual components. Under optimal conditions—20 mg of catalyst in a 5 mg/L LVX solution at neutral pH—the composite achieved a degradation efficiency of 25.70% after 120 minutes, following pseudo-first-order kinetics. Despite the modest degradation rate, the catalyst showed effective performance under low-energy conditions and exhibited selective antibacterial activity against E. coli in the absence of light.
The findings indicate that ZIF-8/Gr composites are promising dual-functional materials for pollutant removal and microbial control in energy-limited wastewater applications. However, the study also highlighted a significant decline in catalyst performance over three reuse cycles, suggesting the necessity for improved regeneration strategies or stabilization methods. Future research should focus on enhancing degradation efficiency, exploring pollutant mineralization pathways through liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), and ensuring long-term stability of the catalyst for practical applications.
Methods
In this study, various materials were utilized, including 2-methylimidazole, methanol, zinc nitrate hexahydrate ($\text{Zn(NO}_3)_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$), and graphene oxide (GO) suspension, sourced from suppliers in China, Malaysia, and Japan. Additionally, hydrochloric acid (HCl), sodium hydroxide (NaOH), and levofloxacin were procured for the experiments, all of which were of analytical grade and employed without further purification. Solutions were consistently prepared using deionized water, maintaining a pH range of 6.5 to 7 throughout the experimental procedures.
Results
The results section presents a comprehensive analysis of the structural and optical properties of reduced graphene oxide (Gr), ZIF-8, and their composite. Scanning Electron Microscopy (SEM) images reveal that reduced Gr exhibits a wrinkled, sheet-like morphology conducive to high surface area and flexibility, facilitating the dispersion of ZIF-8 particles. The ZIF-8 particles, characterized by irregular aggregates and a rough, porous surface, indicate potential for adsorption and catalytic applications. The integration of ZIF-8 onto the Gr substrate is confirmed through distinct spatial arrangements, promoting interfacial charge transfer that enhances photocatalytic performance.
Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy indicates that the ZIF-8 framework retains its structural integrity, with characteristic vibrational bands present, albeit with reduced intensity in the composite due to strong interfacial interactions. X-ray diffraction (XRD) patterns confirm the high crystallinity of ZIF-8 and the presence of partially reduced Gr, with evidence of phase transformation to ZnO during hydrothermal treatment. The optical properties, assessed through UV-Vis absorption spectra and Tauc plots, show that the ZIF-8/Gr composite exhibits enhanced light absorption and a reduced optical band gap of 3.49 eV, attributed to synergistic interactions between the two materials. This reduction in band gap suggests improved light-harvesting capabilities, reinforcing the potential applications of the composite in photocatalysis and other fields.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of ZIF-8 and its composite with graphene (ZIF-8/Gr) are detailed, alongside their photocatalytic, antibacterial, and antioxidant properties. ZIF-8 is synthesized via a co-precipitation method, while ZIF-8/Gr is produced using a hydrothermal approach, which enhances the material’s properties for various applications. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (SEM) are employed to analyze the structural and morphological attributes of the synthesized materials.
The photocatalytic performance of ZIF-8 and ZIF-8/Gr is evaluated through the degradation of levofloxacin (LVX) under UV irradiation. Results indicate that ZIF-8/Gr exhibits superior degradation efficiency due to enhanced charge separation and reduced electron-hole recombination, attributed to the synergistic interaction between ZIF-8 and Gr. The study also explores the effects of catalyst loading, initial pollutant concentration, and pH on degradation efficiency, revealing that optimal conditions significantly influence the photocatalytic process. Furthermore, the antibacterial activity of ZIF-8/Gr is assessed against E. coli and S. aureus, demonstrating moderate effectiveness against E. coli but limited activity against S. aureus. Lastly, the antioxidant activity of ZIF-8/Gr is found to be minimal, suggesting that its lack of electron-donating capacity may enhance its photocatalytic efficiency by allowing for greater participation in reactive oxygen species (ROS)-driven degradation reactions.