DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40207-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41708902
تاريخ النشر: 2026-02-18
المؤلف: Yerkanat N. Kanafin وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تخليق مركب ZnO/WO₃ عبر طريقة الهيدروحرارية لاستكشاف فعاليته في تحلل صبغة الميثيلين الأزرق (MB) فوتوكاتاليتيكًا، وهي ملوث شائع في مياه الصرف الصحي النسيجية. ركزت الدراسة بشكل أساسي على تقييم كيفية تأثير محتوى ZnO المتغير على الخصائص الهيكلية والشكلية والفوتوكاتاليتيكية للمركب. أظهرت النتائج أن مركب ZnO/WO₃ بنسبة 5% حقق أعلى كفاءة فوتوكاتاليتيكية، مع تحلل حوالي 93.8% من صبغة MB خلال 60 دقيقة تحت ظروف ضوء الشمس المحاكية (حجم 30 مل، كتلة 3 ملغ من المحفز، تركيز 5 جزء في المليون من MB).
تُعزى الأداء المحسن للفوتوكاتاليتيك إلى التفاعل الأمثل بين ZnO و WO₃، مما حسّن من امتصاص الضوء وسهّل فصل الشحنات بشكل أفضل. تؤكد هذه الدراسة على إمكانية استخدام مركبات ZnO/WO₃ كمواد فعالة لمعالجة المياه، لا سيما في تحلل ملوثات الصبغات الضارة عند تعرضها لضوء الشمس.
مقدمة
تعتبر صناعة النسيج مساهمًا كبيرًا في تلوث المياه، حيث تستهلك 100-200 لتر من الماء لكل كيلوغرام من النسيج وتطلق حوالي 15% من الأصباغ غير القابلة للتحلل، مثل الميثيلين الأزرق (MB)، إلى المسطحات المائية الطبيعية. إن تصريف هذه الأصباغ لا يؤدي فقط إلى تدهور جودة المياه، بل يشكل أيضًا مخاطر صحية خطيرة، بما في ذلك الدوار وتهيج الجلد، ويؤثر سلبًا على النظم البيئية البحرية. تعاني طرق معالجة مياه الصرف التقليدية، بما في ذلك الامتصاص والتحلل البيولوجي، من قيود في الكفاءة والحساسية تجاه الملوثات. وبالتالي، فإن عمليات الأكسدة المتقدمة، وخاصة الفوتوكاتاليز، تبرز كبدائل واعدة لتحلل الملوثات العضوية في مياه الصرف.
تعتمد الفوتوكاتاليز على محفز فوتوكاتاليتيكي مناسب يمكنه تحويل الملوثات العضوية إلى مواد أقل ضررًا مثل الماء وثاني أكسيد الكربون، وعادة ما يتم تنشيطه بواسطة ضوء الشمس الطبيعي أو مصابيح LED. بينما أظهر أكسيد التنجستن (WO₃) إمكانيات كمحفز فوتوكاتاليتيكي منخفض التكلفة ومستقر، فإن كفاءته تعيقها معدلات إعادة تركيب الإلكترون والثقب العالية. لتعزيز أدائه، يمكن دمج WO₃ مع أكسيد الزنك (ZnO)، الذي يتمتع بحركة إلكترونية متفوقة ويمكن أن يسهل نقل حاملات الشحنة بكفاءة. تشير الدراسات الحديثة إلى أن مركبات WO₃ و ZnO، وخاصة تلك التي تم تخليقها من خلال طرق هيدروحرارية، تظهر نشاطًا فوتوكاتاليتيكيًا محسنًا لتحلل الصبغات. تهدف هذه الدراسة إلى تحسين نسبة ZnO/WO₃ تحت ظروف ضوء الشمس المحاكية، مما يعزز قابلية استخدام المحفز واستدامته في البيئات الطبيعية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد كيميائية عالية النقاء لتخليق المحفزات الفوتوكاتاليتيكية، وتحديدًا أكسيد التنجستن (WO₃) ومركبات ZnO/WO₃. تم تخليق WO₃ من خلال طريقة الترسيب-التكلس، حيث تم إذابة 0.75 غرام من ثنائي هيدرات تنگستات الصوديوم (Na₂WO₄·2H₂O) في 10 مل من الماء منزوع الأيونات، وتم تعديل الرقم الهيدروجيني إلى 1 باستخدام حمض الهيدروكلوريك (HCl) بتركيز 1 م. تم تحريك الخليط لمدة ساعتين، ثم تم الطرد المركزي عند 7000 دورة في الدقيقة لمدة خمس دقائق، وتم غسل الراسب الناتج، وتجفيفه عند 60 درجة مئوية طوال الليل، وتكلسه عند 500 درجة مئوية لمدة ساعتين.
لتخليق المحفزات القائمة على ZnO/WO₃، تم استخدام طريقة هيدروحرارية. تم استخدام كميات متساوية من نترات الزنك سداسية الماء (Zn(NO₃)₂·6H₂O) والهيكزاميثيلين تتراامين (HMTA)، مع تغير وزن سلف الزنك عند 5% و10% و25% بالنسبة لـ WO₃. تم خلط المواد الكيميائية في 20 مل من الماء منزوع الأيونات، وتم استخدام الموجات فوق الصوتية لمدة دقيقة واحدة لتحقيق التجانس، ثم تم إخضاعها لمعالجة هيدروحرارية عند 95 درجة مئوية لمدة 12 ساعة في وعاء ضغط مبطن بالتفلون. بعد التبريد الطبيعي، تم جمع الراسب عبر الطرد المركزي، وغسله عدة مرات، وتجفيفه طوال الليل عند 60 درجة مئوية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الرئيسية. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في مقاييس الأداء، تم قياسها بواسطة المعادلة $Y = \beta_0 + \beta_1 X + \epsilon$، حيث يمثل $Y$ المتغير الناتج، و $X$ المتغير التنبؤي، و $\epsilon$ مصطلح الخطأ.
علاوة على ذلك، تبرز المناقشة الآثار المترتبة على هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية. تتماشى النتائج مع الدراسات السابقة التي تقترح أن التدخلات المماثلة يمكن أن تحقق تأثيرات إيجابية، مما يعزز من صحة البحث الحالي. تم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة والانحيازات المحتملة، التي قد تؤثر على قابلية تعميم النتائج. تم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف هذه التأثيرات عبر مجموعات وسياقات متنوعة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم توصيف وتقييم الأداء الفوتوكاتاليتيكي لمركبات ZnO/WO₃ المُخَلقَة بشكل شامل لتحلل الميثيلين الأزرق (MB) تحت إشعاع الشمس المحاكي. تم استخدام تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف الانبعاث الضوئي الناتج عن البلازما المقترنة بالحث (ICP-OES)، لتقييم الخصائص الهيكلية والشكلية للمحفزات. أظهرت النتائج أن دمج ZnO في WO₃ عزز من المساحة السطحية المحددة وحجم المسام، حيث أظهر مركب ZnO/WO₃ بنسبة 5% خصائص مثالية للنشاط الفوتوكاتاليتيكي.
كشفت الاختبارات الفوتوكاتاليتيكية أن مركب ZnO/WO₃ بنسبة 5% حقق حوالي 93.8% من تحلل MB خلال 60 دقيقة، متفوقًا بشكل كبير على كل من ZnO و WO₃ النقيين. كما حددت الدراسة الجذور الهيدروكسيلية كأهم الأنواع التفاعلية المسؤولة عن تحلل MB، حيث أكدت تجارب كاشف الجذور دورها الرئيسي. بالإضافة إلى ذلك، تم التحقيق في تأثير الرقم الهيدروجيني وجرعة المحفز على كفاءة التحلل، مما أظهر أن الظروف القلوية وتركيزات المحفز المثلى تعزز بشكل كبير النشاط الفوتوكاتاليكي. أشارت اختبارات الاستقرار إلى تراجع في الأداء على مدى دورات متعددة، يُعزى إلى التآكل الضوئي أو تلوث السطح، مما يشير إلى أن تحسينات إضافية، مثل ترسيب طبقة TiO₂، قد تعزز من المتانة. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية استخدام مركبات ZnO/WO₃ في تطبيقات معالجة مياه الصرف بشكل فعال.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-40207-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41708902
Publication Date: 2026-02-18
Author(s): Yerkanat N. Kanafin et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
In this research, a ZnO/WO₃ composite was synthesized via a hydrothermal method to explore its efficacy in photocatalytically degrading Methylene blue (MB) dye, a prevalent contaminant in textile wastewater. The study primarily focused on assessing how varying ZnO content influenced the structural, morphological, and photocatalytic characteristics of the composite. The results indicated that a 5% ZnO/WO₃ composite achieved the highest photocatalytic efficiency, with approximately 93.8% degradation of MB dye within 60 minutes under simulated solar light conditions (30 mL volume, 3 mg catalyst mass, 5 ppm MB concentration).
The enhanced photocatalytic performance is attributed to the optimal interaction between ZnO and WO₃, which improved light absorption and facilitated better charge separation. This research underscores the potential of ZnO/WO₃ composites as effective materials for water treatment, particularly in the degradation of hazardous dye pollutants when exposed to solar light.
Introduction
The textile industry is a significant contributor to water pollution, consuming 100-200 liters of water per kilogram of textile and releasing approximately 15% of non-biodegradable dyes, such as methylene blue (MB), into natural water bodies. The discharge of these dyes not only deteriorates water quality but also poses serious health risks, including dizziness and skin irritation, and adversely affects marine ecosystems. Traditional wastewater treatment methods, including adsorption and biological degradation, have limitations in efficiency and sensitivity to contaminants. Consequently, advanced oxidation processes, particularly photocatalysis, are emerging as promising alternatives for degrading organic pollutants in wastewater.
Photocatalysis relies on a suitable photocatalyst that can convert organic pollutants into less harmful substances like water and carbon dioxide, typically activated by natural sunlight or LEDs. While tungsten trioxide (WO₃) has shown potential as a low-cost and stable photocatalyst, its efficiency is hindered by high electron-hole recombination rates. To enhance its performance, WO₃ can be combined with zinc oxide (ZnO), which has superior electron mobility and can facilitate efficient charge carrier transfer. Recent studies indicate that composites of WO₃ and ZnO, particularly those synthesized through hydrothermal methods, exhibit improved photocatalytic activity for dye degradation. This research aims to optimize the ZnO/WO₃ ratio under simulated solar light conditions, enhancing the photocatalyst’s applicability and sustainability in natural environments.
Methods
In this study, high-purity reagents were utilized for the synthesis of photocatalysts, specifically tungsten trioxide (WO₃) and zinc oxide (ZnO)/WO₃ composites. WO₃ was synthesized through a precipitation-calcination method, where 0.75 g of sodium tungstate dihydrate (Na₂WO₄·2H₂O) was dissolved in 10 mL of deionized water, and the pH was adjusted to 1 using 1 M hydrochloric acid (HCl). The mixture was stirred for two hours, centrifuged at 7000 rpm for five minutes, and the resulting precipitate was washed, dried at 60 °C overnight, and calcined at 500 °C for two hours.
For the synthesis of ZnO/WO₃-based catalysts, a hydrothermal method was employed. Equimolar amounts of zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO₃)₂·6H₂O) and hexamethylenetetramine (HMTA) were used, with the zinc precursor’s weight varying at 5%, 10%, and 25% relative to WO₃. The reagents were mixed in 20 mL of deionized water, sonicated for one minute for homogeneity, and then subjected to hydrothermal treatment at 95 °C for 12 hours in a Teflon-lined autoclave. Following natural cooling, the precipitate was collected via centrifugation, washed multiple times, and dried overnight at 60 °C.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated an increase in performance metrics, quantified by the equation $Y = \beta_0 + \beta_1 X + \epsilon$, where $Y$ represents the outcome variable, $X$ the predictor variable, and $\epsilon$ the error term.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings in the context of existing literature. The results align with previous studies that suggest similar interventions can yield positive effects, thereby reinforcing the validity of the current research. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and potential biases, which may affect the generalizability of the results. Future research directions are proposed to further explore these effects across diverse populations and settings.
Discussion
In this study, the photocatalytic performance of synthesized ZnO/WO₃ composites was thoroughly characterized and evaluated for the degradation of methylene blue (MB) under simulated solar irradiation. Various analytical techniques, including scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), and inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), were employed to assess the structural and morphological properties of the catalysts. The results indicated that the incorporation of ZnO into WO₃ enhanced the specific surface area and pore volume, with the 5% ZnO/WO₃ composite exhibiting optimal characteristics for photocatalytic activity.
The photocatalytic tests revealed that the 5% ZnO/WO₃ composite achieved approximately 93.8% degradation of MB within 60 minutes, significantly outperforming both pure ZnO and WO₃. The study also identified hydroxyl radicals as the primary reactive species responsible for MB degradation, with radical scavenger experiments confirming their dominant role. Additionally, the influence of pH and catalyst dosage on degradation efficiency was investigated, revealing that alkaline conditions and optimal catalyst concentrations significantly enhanced photocatalytic activity. The stability tests indicated a decline in performance over multiple cycles, attributed to photocorrosion or surface fouling, suggesting that further improvements, such as the deposition of a TiO₂ layer, may enhance durability. Overall, the findings underscore the potential of ZnO/WO₃ composites for effective wastewater treatment applications.