MOF-derived S-scheme CuFe2O4/CuO/C heterojunctions with broad-spectrum response for efficient and stable tetracycline degradation

تُعد المياه شريان الحياة لكوكبنا، ومع ذلك، فإنها تتحول بشكل متزايد إلى مستودع للمخلفات الكيميائية للحياة الحديثة. ومن بين أكثر هذه المخلفات استدامة هي مضادات التتراسايكلين الحيوية، وهي أدوية تُستخدم على نطاق واسع في الطب البشري وتربية الماشية. ولأن هذه الجزيئات مستقرة كيميائياً، فهي لا تتحلل بسهولة في البيئة؛ بل تتراكم في الأنهار والبحيرات، حيث تهدد الأنظمة البيئية وتساهم في الأزمة العالمية المتنامية لمقاومة المضادات الحيوية. وغالباً ما تكافح طرق معالجة المياه التقليدية لإزالتها تماماً. واستجابة لذلك، توجه العلماء إلى طريقة تسمى "التحفيز الضوئي"، والتي تستخدم الضوء لتحفيز تفاعلات كيميائية تدمر الملوثات. ويكمن التحدي في إيجاد مادة ليست فعالة فقط في امتصاص الضوء وتفكيك هذه الأدوكن المستعصية، بل تكون أيضاً متينة بما يكفي لاستخدامها بشكل متكرر دون أن تتفكك أو تفقد قوتها.

قام فريق من الباحثين في جامعة كوجين نورمال في الصين بتطوير مادة جديدة تعالج هذه التحديات عبر تحويل مركب مخبري شائع إلى منظف مياه عالي الكفاءة. لقد بدأوا بسلف (precursor) يُعرف باسم "نظير أزرق بروسيا"، وهو نوع من المواد البلورية التي تُستخدم غالباً في الأصباغ والبطاريات، ويحتوي على ذرات النحاس والحديد المرتبة في بنية شبكية منتظمة. ومن خلال تسخين هذه المادة بطريقة محكومة، حوّلها الباحثون إلى خليط معقد من أكسيد حديد النحاس، وأكسيد النحاس، وشبكة من الكربون. هذه العملية، التي وصفوها بأنها "تكليس في خطوة واحدة"، تقوم أساساً بـ "طهي" السلف حتى تتحلل مجموعات السيانيد الموجودة فيه إلى إطار كربوني موصل، بينما تعيد الذرات المعدنية ترتيب نفسها لتصبح مرحلتين من الأكاسيد المتميزة التي تستقر جنباً إلى جنب بإحكام. والنتيجة هي مادة مركبة تعمل كمحرك قوي لتنقية المياه تحت الضوء المرئي.

اختبر الباحثون هذه المادة الجديدة عن طريق تعريضها لمحلول يحتوي على التتراسايكلين تحت مصدر ضوء يحاكي ضوء الشمس. ووجدوا أن المادة تعمل بأفضل شكل عندما يتم تسخين السلف إلى 400 درجة مئوية. وعند هذه الدرجة المحددة، حقق المركب الناتج إزالة مذهلة بنسبة 95.9 بالمئة من المضاد الحيوي خلال 80 دقيقة. كان هذا الأداء أفضل بكثير من العينات المصنوعة عند درجات حرارة أقل أو أعلى، مما يشير إلى أن التوازن بين البنية البلورية للأكاسيد ومحتوى الكربون المتبقي أمر بالغ الأهمية للنجاح. كما أثبتت المادة متانتها أيضاً؛ فبعد استخدامها عشر مرات متتالية، ظلت تزيل أكثر من 90 بالمئة من المضاد الحيوي، مما يدل على أنها لا تتحلل أو تفقد هيكلها أثناء الاستخدام المتكرر. كما ظلت فعالة عبر نطاق واسع من مستويات حموضة المياه، حيث عملت جيداً في ظروف قد توقف العديد من المحفزات الأخرى عن العمل.

لفهم سبب عمل هذه المادة بهذا الشكل الجيد، درس العلماء بدقة كيفية انتقال الكهرباء من خلالها عندما يسقط الضوء عليها. واكتشفوا أن المادة تعمل من خلال آلية محددة تُعرف باسم "وصلة هجينة من النوع S" (S-scheme heterojunction). وبكلمات أبسط، يعمل مكونا الأكسيد المختلفان داخل المادة معاً لفصل الشحنات الكهربائية الناتجة عن الضوء. فأحد المكونين، وهو أكسيد حديد النحاس، يحتفظ بالإلكترونات الجاهزة للتفاعل مع الأكسجين في الماء، بينما يحتفظ المكون الآخر، وهو أكسيد النحاس، بالشحنات الموجبة التي تهاجم جزيئات المضاد الحيوي مباشرة. هذا الترتيب يمنع الشحنات من إلغاء بعضها البعض بسرعة كبيرة، مما يسمح لها بالبقاء نشطة لفترة كافية لتفكيك الملوث. وقد أكدت التجارب أن العوامل الأساسية التي تقوم بالعمل الشاق هي جذور السوبر أكسيد والثقوب الموجبة، بينما تلعب جذور الهيدروكسيل دوراً أصغر بكثير. هذا المسار المحدد يسمح للمادة بالحفاظ على قوة كيميائية قوية مع فصل الشحنات اللازمة للتفاعل بكفاءة.

كما تتبع الباحثون مسار المضاد الحيوي أثناء تفككه. وباستخدام تقنية قياس الطيف الكتلي المتقدمة، حددوا سلسلة من الخطوات الوسيطة حيث يتم تفكيك جزيء التتراسايكلين الكبير تدريجياً. تضمنت العملية كسر الحلقات التي تشكل النواة الهيكلية للدواء، وإزالة مجموعات الميثيل، وإضافة ذرات الأكسجين. وفي النهاية، تم اختزال هذه الشظايا العضوية المعقدة إلى مواد بسيطة وغير ضارة مثل الماء، وثاني أكسيد الكربون، ومركبات نيتروجينية أساسية. كما أظهرت الدراسة أن وجود مواد شائعة توجد في المياه الطبيعية، مثل أيونات الكبريتات والنترات والكلوريد، لم يعق عملية التنظيف بشكل كبير. ومع ذلك، كانت المادة أقل فعالية في وجود بعض الفوسفات أو حمض الهيوميك، والتي يمكن أن تسد المواقع النشطة على سطح المحفز.

يقدم هذا العمل مساراً عملياً وقابلاً للتوسع لإنشاء محفزات ضوئية متينة. فمن خلال استخدام سلف واحد يتحول إلى نظام متعدد المكونات مع شبكة كربون داخلية، تجنب الباحثون الإجراءات المعقدة متعددة الخطوات التي تتطلبها غالباً بناء مثل هذه المواد. المركب الناتج ليس فعالاً للغاية في إزالة التتراسايكلين فحسب، بل هو أيضاً مستقر بما يكفي للاستخدام طويل الأمد في سيناريوهات معالجة المياه في العالم الحقيقي. وتشير النتائج إلى أن هذا النهج يمكن أن يكون حلاً قابلاً للتطبيق لمعالجة تلوث المضادات الحيوية، مما يوفر طريقة فعالة وصديقة للبيئة في آن واحد. إن نجاح هذه المادة يسلط الضوء على إمكانية استخدام القوالب ذاتية التضحية لهندسة واجهات متقدمة تزيد من قدرة الضوء على تحقيق أقصى استفادة من التنظيف البيئي.