Engineering Bi2O3/g-C3N4 and ZnO/g-C3N4 Heterojunctions for Efficient Visible-Light-Driven Photocatalytic Degradation of Organic Pollutants

تُعد المياه شريان الحياة لكوكبنا، ومع ذلك فهي تختنق بشكل متزايد بالنفايات الملونة الناتجة عن الصناعة الحديثة. إذ تفرغ مصانع المنسوجات، ومطابع الطباعة، ومصانع الأدوية كميات هائلة من الأصباغ الاصطناعية في الأنهار والبحيرات. وهذه المواد ليست مجرد مواد غير مريحة للعين فحسب؛ بل هي سموم عنيدة تحجب ضوء الشمس عن وصوله إلى النباتات المائية ويمكن أن تضر بالحياة المائية وصحة الإنسان. وغالباً ما تواجه الطرق التقليدية لتنقية هذه المياه، مثل الترشيح أو استخدام البكتيريا، صعوبة في تفكيك هذه الهياكل الكيميائية المعقدة. واستجابة لذلك، توجه العلماء إلى عملية تسمى "التحفيز الضوئي"، والتي تستخدم الضوء لإحداث تفاعل كيميائي يدمر الملوثات. تخيل مادة تعمل بمثابة محرك يعمل بالطاقة الشمسية، يستخدم ضوء الشمس لتوليد جزيئات غير مرئية وعالية التفاعل تمزق جزيئات الصبغة حتى تتحول إلى ماء وثاني أكسيد كربون غير ضارين. ولكي يعمل هذا بكفاءة، يجب أن تكون المادة قادرة على التقاط نطاق واسع من الضوء ومنع الطاقة التي تلتقطها من التسرب قبل أن تتمكن من أداء مهمتها.

لقد عمل باحثون في جامعة العلوم الماليزية (Universi Sains Malaysia) على تحسين هذه المنظفات التي تعمل بالطاقة الضوئية من خلال خلط نوع معين من أشباه الموصلات الشبيهة بالبلاستيك مع أكاسيد المعادن. كانت المادة الأساسية التي بدأوا بها هي نتريد الكربون الجرافيتي، وهي مادة مستقرة وغير سامة وجيدة في امتصاص الضوء المرئي، ولكنها تعاني من عيب: وهو أن الطاقة التي تلتقطها تميل إلى إلغاء نفسها بسرعة كبيرة. ولإصلاح ذلك، دمج الفريق هذه المادة مع اثنين من أكاسيد المعادن المختلفة، وهما أكسيد البزموت وأكسيد الزنك، لإنشاء مواد هجينة جديدة. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت هذه التوليفات يمكن أن تخلق مساراً أفضل لتدفق الطاقة، مما يسمح للمادة بتفكيك نوعين من الملوثات النموذجية: "ميثيل أورانج"، وهو صبغة أنيونية، و"ميثيلين بلو"، وهو صبغة كاتيونية. وقد ركزت الدراسة على إيجاد التوازن المثالي للمكونات لتعظيم قوة التنظيف تحت الضوء المرئي.

بدأ الفريق بإنشاء المادة الأساسية، نتريد الكربون الجرافيتي، عن طريق تسخين سلائف كيميائية شائعة حتى تتحول إلى مسحوق أصفر. ثم قاموا بخلط هذا المسحوق مع كميات متفاوتة من أكسيد البزموت وأكسيد الزنك باستخدام طريقة رطبة، متبوعة بالتسخين لدمج المكونات معاً. ومن خلال اختبار نسب مختلفة، اكتشفوا أن كمية أكسيد المعدن المضافة كانت أمراً حاسماً. فبالنسبة لخليط أكسيد البزموت، جاءت أفضل النتائج عندما شكل أكسيد المعدن 18 بالمائة من الوزن الإجمالي. عند هذا المستوى المحدد، امتصت المادة الضوء بشكل أكثر فعالية ومنعت الطاقة من إضاعة نفسها. وبالمثل، بالنسبة لخليط أكسيد الزنك، أثبتت نسبة تحميل قدرها 18 بالمائة أنها النقطة المثالية. وعندما اختبروا هذه الخلطات المحسنة مقابل المادة الأساسية النقية، كان الفرق صارخاً؛ فقد عانت المادة النقية في تفكيك الأصباغ، لكن المركبات الجديدة أظهرت تحسناً كبيراً في قدرتها على تفكيك الملوثات.

قام الباحثون بقياس مدى كفاءة عمل هذه المواد الجديدة من خلال تعريضها للضوء أثناء وجودها في محاليل من الأصباغ. ووجدوا أن مركب أكسيد البسموت بنسبة 18 بالمائة استطاع إزالة ما يقرب من 69 بالمائة من "ميثيل أورانج" من الماء. أما مركب أكسيد الزنك بنسبة 18 بالمائة فقد كان أداؤه مقارباً جداً، حيث فكك حوالي 69 بالمائة من "ميثيلين بلو". وكانت هذه النتائج متفوقة بمراحل على ما يمكن أن تحققه المكونات الفردية بمفردها. وقد اعتمد هذا النجاح على الطريقة المحددة التي يتلامس بها المادتان؛ فعندما يسقط الضوء على الخليط، فإنه يخلق أزواجاً من الشحنات الموجبة والسالبة. وفي المادة النقية، تجد هذه الشحنات بعضها البعض بسرعة وتختفي دون القيام بأي عمل، ولكن في المركبات الجديدة، يعمل التماس بين المادتين كدليل، حيث يوجه الشحنات في اتجاهات مختلفة بحيث يمكنها البقاء لفترة كافية للهجوم على جزيئات الصبغة.

ولضمان كون هذه النتالئ عملية، بحث الفريق أيضاً في الظروف التي يحدث فيها التنظيف. ووجدوا أن كمية العامل الحفاز المضافة إلى الماء كانت مهمة بشكل كبير؛ فاستخدام كمية قليلة جداً يعني عدم وجود مواقع نشطة كافية لالتقاط الضوء، بينما يؤدي استخدام كمية كبيرة جداً إلى تكتل الجزيئات وحجب الضوء عن الوصول إلى الأجزاء العميقة من المحلول. كانت الكمية المثالية هي بالضبط 1.0 جرام لكل لتر. كما بحثوا في كيفية تأثير حموضة الماء على العملية. وبالنسبة لكلا النوعين من الأصباغ، كان التنظيف يعمل بشكل أفضل عندما يكون الماء قريباً من التعادل، أي ليس حامضياً جداً ولا قاعدياً جداً. في هذه الظروف، يمكن لجزيئات الصبغة الالتصاق بسطح العامل الحفاز لفترة كافية ليتم تفكيكها. وإذا كان الماء حامضياً جداً أو قاعدياً جداً، فإن الشحنات الكهربائية على سطح العامل الحفاز ستتنافر مع جزيئات الصبغة، مما يمنع بدء التفاعل.

تشير الدراسة إلى أن طريقة عمل هذه المواد تختلف قليلاً اعتماداً على أكسيد المعدن المستخدم. فمع خليط أكسيد الزنك، تنفصل الشحنات بطريقة فعالة ولكنها أقل قوة قليلاً من حيث الطاقة الكيميائية. أما مع خليط أكسيد البزموت، فإن الترتيب يخلق مساراً أكثر مباشرة يحافظ على القوة الكاملة للطاقة، مما يجعله فعالاً بشكل خاص في تفكيك الملوثات الصعبة. وقد أكد الباحثون ذلك من خلال مراقبة كيفية امتصاص المواد للضوء وكيفية توهجها عند استثارتها، مما يشير إلى أن الطاقة تُستخدم في العمليات الكيميائية بدلاً من فقدانها كحرارة. وبينما لم تقض المواد على الأصباغ تماماً في خطوة واحدة، فإن التحسن الكبير مقارنة بالطرق الموجودة يسلط الضوء على اتجاه واعد لمعالجة مياه الصرف الصحي. وتشير هذه النتائج إلى أنه من خلال ضبط تكوين هذه المنظفات التي تعمل بالضوء بعناية، يمكن إنشاء أدوات فعالة ومنخفضة التكلفة لإزالة الملوثات الصناعية المستمرة من مواردنا المائية.