Comprehensive investigation of CuFe 2 O 4 /ZnO/RGO ternary nanocomposites for enhanced photocatalytic degradation of acid orange dye

غالبًا ما تكون مياه الصرف الصحي الناتجة عن مصانع النسيج ملطخة بصبغات اصطناعية يصعب التخلص منها بشكل ملحوظ. هذه المواد الكيميائية الملونة، مثل تلك المعروفة باسم "البرتقالي الحمضي" (acid orange)، لا تبدو غير جذابة فحسب؛ بل إنها تحجب ضوء الشمس عن النباتات المائية، وتستنزف الأكسجين في الماء، ويمكن أن تتحلل إلى مواد سامة تضر بكل من الحياة البرية والبشر. إن الطرق التقليدية لتنظيف هذه المياه، مثل الترشيح أو استخدام المواد الكيميائية لتجميع الصبغة معًا، غالبًا ما تترك بقايا أو تفشل في تدمير جزيئات الصبغة تمامًا. ويتمثل أحد النهج الأكثر واعدًا في استخدام ضوء الشمس لتشغيل تفاعل كيميائي يفكك هذه الجزيئات المستعصية. تعتمد هذه العملية على مواد خاصة تسمى "المحفزات الضوئية". فعندما يسقط ضوء الشمس على هذه المواد، فإنها تولد جزيئات صغيرة شديدة التفاعل تعمل مثل فرق تنظيف مجهرية، تهاجم وتفكك الصبغة حتى تتحول إلى ماء وثاني أكسيد الكربون وأملاح بسيطة غير ضارة. ومع ذلك، كان العثور على مادة فعالة بما يكفي، ورخيصة بما يكفي، ومستقرة بما يكفي للعمل تحت ضوء الشمس الطبيعي، تحديًا كبيرًا للعلماء.

في دراسة حديثة، وضع الباحثان إلوملاي أرولكومار وجوبيناث داموداران هدفًا لإنشاء نوع جديد من المحفزات الضوئية يمكنه التغلب على هذه القيود. لقد دمجوا ثلاث مواد مختلفة في هيكل واحد معقد: أكسيد حديد النحاس، وأكسيد الزنك، وشكل من أشكال الكربون يُعرف باسم "أكسيد الجرافين المختزل". كان الهدف هو مزج نقاط القوة لكل مكون لإنشاء نظام يمكنه التقاط المزيد من ضوء الشمس ومنع الجسيمات التفاعلية من إلغاء بعضها البعض بسرعة كبيرة. استخدم الفريق هذا الخليط باستخدام عملية بسيطة نسبيًا تتضمن الموجات الصوتية لخلط المواد معًا، بدلاً من الطرق الكيميائية المعقدة متعددة الخطوات التي غالبًا ما تكون مطلوبة لمثل هذه المواد النانوية المتقدمة. ثم وضعوا ابتكارهم قيد الاختبار من خلال محاولة تنظيف محلول من صبغة "البرتقالي الحمضي" باستخدام ضوء الشمس الطبيعي فقط.

أظهرت النتائج أن هذا المزيج الجديد كان أكثر فعالية بكثير من أي من المواد الفردية المستخدمة بمفردها. فعندما عرض الباحثون محلول الصبغة لأشعة الشمس، تمكنت المواد المنفردة من تفكيك ما بين 57% و72% من الصبغة خلال فترة تسعين دقيقة. وفي المقابل، أزال الخليط المدمج، الذي أطلقوا عليه اسم "المركب النانوي الثلاثي"، 85% من الصبغة في نفس المدة الزمنية. قام الباحثون بعد ذلك بضبط التجربة بدقة لإيجاد الظروف المثالية للتفاعل. واكتشفوا أن استخدام ثلاثين ملليجرام من المحفز في كمية محددة من الماء كان الأفضل، مما رفع معدل التحلل إلى 88%. علاوة على ذلك، وجدوا أن حموضة الماء لعبت دورًا حاسمًا؛ فعندما عدلوا الماء ليكون حمضيًا قليلاً، قفزت الكفاءة إلى 95%، مما يعني أنه تم تدمير الصبغة بالكامل تقريبًا. وتحت هذه الظروف المثالية، سار التفاعل بمعدل أسرع بكثير مما لوحظ مع المواد الأخرى.

لفهم سبب عمل هذا الخليط بهذا الشكل الجيد، فحص الفريق المواد عن كثب باستخدام أدوات تصوير وتحليل عالية التقنية. وقد أكدوا أن المكونات الثلاثة قد اندمجت بنجاح، حيث انتشرت جزيئات أكسيد المعدن بالتساوي عبر طبقات الكربون. سمح هذا التلامس الوثيق للإلكترونات، وهي جسيمات مشحونة صغيرة ناتجة عن ضوء الشمس، بالتحرك بحرية بين المواد المختلفة. وحسب الباحثون أن المادة المركبة يمكنها امتصاص نطاق أوسع من طاقة الضوء مقارنة بالأجزاء الفردية، مما يجعلها تعمل مثل شبكة أوسع لالتقاط ضوء الشمس. كما رسموا خريطة لتدفق الطاقة داخل المادة، موضحين كيف تنتقل الإلكترونات من جزء إلى آخر في الهيكل، مما يمنعها من التعثر وهدر طاقتها. وهذا الانتقال الفعال للشحنة هو ما يسمح للمادة بتوليد الجسيمات التفاعلية اللازمة لتدمير الصبغة.

كما بحثت الدراسة بدقة في أي الجسيمات التفاعلية كانت تقوم بالعمل الشاق في عملية التنظيف. ومن خلال إضافة مواد كيميائية محددة تعادل أنواعًا معينة من الجسيمات، استطاع الفريق معرفة أي منها كان ضروريًا للتفاعل. ووجدوا أن "جذور الهيدروكسيل الحرة"، وهي جسيمات تعتمد على الأكسجين شديدة العدوانية، كانت الوكيل الأساسي في تدمير الصبغة. كما لعبت "الثقوب الفوتونية المولدة" (photogenerated holes)، وهي مساحات موجبة الشحنة تترك خلفها عندما تتحرك الإلكترونات، و"جذور السوبر أكسيد" أدوارًا داعمة مهمة. أما الإلكترونات نفسها فقد ساهمت بشكل أقل مباشرة في عملية التفكك. وأكد هذا التحليل التفصيلي أن المادة تعمل من خلال آلية تآزرية محددة حيث تعمل الأجزاء المختلفة من المركب النانوي معًا لتعظيم إنتاج عوامل التنظيف هذه.

أخيرًا، احتاج الباحثون إلى معرفة ما إذا كان يمكن استخدام هذه المادة بشكل متكرر دون أن تتفكك. فقد أجروا التجربة عشر مرات متتالية، مع تنظيف المحفز بين كل دورة. وبعد عشر دورات، لا تزال المادة قادرة على إزالة حوالي 81% من الصبغة، مما يثبت أنها قوية وقابلة لإعادة الاستخدام مرات عديدة. وبينما أظهرت كمية صغيرة من المادة علامات تغيير بعد الاستخدام المطول، إلا أن الهيكل الأساسي ظل سليمًا. وتخلص الدراسة إلى أن هذه الطريقة البسيطة المعتمدة على الموجات فوق الصوتية لإنشاء خليط من أكسيد حديد النحاس وأكسيد الزنك وأكسيد الجرافين المختزل توفر حلاً فعالًا للغاية وقابلاً لإعادة الاستخدام لتنظيف مياه الصرف الصناعي. ومن خلال تسخير ضوء الشمس الطبيعي ومزيج مدروس بعناية من المواد، يوفر هذا النهج خطوة عملية نحو معالجة مشكلة تلوث الأصباغ المستمرة في مجارينا المائية.