Solid-state, rapid mechanochemical pathway for zinc phthalocyanine-embedded Schiff-Base polymer-TiO2 nanocomposite for LED assisted efficient photochemical remediation of hexavalent chromium

تعد المياه أساس الحياة، ومع ذلك فهي مهددة بشكل متزايد بغزاة غير مرئيين: المعادن الثقيلة. ومن بين هذه المعادن، يعتبر الكروم في شكله سداسي التكافؤ خطيراً بشكل خاص؛ فهو مادة سامة يمكن أن تتسلل إلى أجسامنا عبر الهواء الذي نستنشقه، أو الطعام الذي نأكله، أو الماء الذي نشربه. وبمجرد دخوله إلى الجسم، يمكن أن يسبب ضرراً للكلى والرئتين والجلد، وهو معروف بتسببه في السرطان. تطلق الطبيعة والصناعة البشرية هذا المعدن في البيئة، لكن تنظيفه أمر صعب. لطالما سعى العلماء لإيجاد طريقة لتحويل هذا الكروم سداسي التكافؤ القاتل إلى نسخة أكثر أماناً وأقل سمية تسمى الكروم ثلاثي التكافؤ. أحد أكثر الأدوات واعدة لهذه المهمة هو مادة ثاني أكسيد التيتانيوم، وهي مسحوق أبيض يوجد غالباً في الدهانات وواقيات الشمس. فعندما يصطدم بالضوء، يمكن لهذا المسحوق أن يعمل كمصنع صغير، مستخدماً الطاقة لتفكيك الملوثات أو تحويلها. ومع ذلك، هناك عقبة: ثاني أكسيد التيتانيوم القياسي لا يعمل إلا عند تعرضه للأشعة فوق البنفجية، وهي نوع من ضوء الشمس ولكن ليس من الأضواء الاصطناعية التي نستخدمها في منازلنا ومدننا. ولجعل هذه التكنولوجيا مفيدة لمعالجة المياه اليومية، احتاج الباحثون إلى طريقة تجعل المادة تستجيب للضوء المرئي الذي يحيط بنا.

لقد اتخذ فريق من الباحثين من مؤسسات في الهند وكوريا الجنوبية خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال ابتكار مادة هجينة جديدة تعمل بكفاءة تحت الضوء العادي. فقد طوروا طريقة لدمج ثاني أكسيد التيتانيوم مع جزيء عضوي خاص يسمى "فثالوسيانين الزنك"، والمدمج داخل سلسلة بوليمر. فكر في هذه العملية كخلط خلية شمسية عالية الحساسية مع إسفنجة متينة؛ كان الهدف هو إنشاء مركب يمكنه الإمساك بالكروم السام ثم استخدام الضوء المرئي لتحييده. استخدم الباحثون تقنية تسمى الكيمياء الميكانيكية، وهي في الأساس طريقة للحالة الصلبة تعتمد على طحن المكونات معاً باستخدام هاون ومدقة. وبدلاً من استخدام كميات كبيرة من المذيبات السائلة وفترات تسخين طويلة، قاموا ببساطة بسحق المكونات الجافة معاً مع عامل حفاز. سمح هذا النهج السريع ومنخفض الطاقة بدمج بوليمر فثالوسيانين الزنك مباشرة على سطح جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية، مما خلق مادة نانوية مركبة جديدة.

بعد ذلك، وضع الفريق هذه المادة الجديدة قيد الاختبار في تجربة منضبطة مصممة لمحاكاة معالجة المياه. وضعوا محلولاً يحتوي على الكروم سداسي التكافؤ في مفاعل مجهز بمصباح LED قياسي بقدرة مائة واط، وهو النوع الموفر للطاقة الموجود في العديد من المنازل. وقبل تشغيل الضوء، تركوا الخليط لفترة في الظلام لضمان حصول المادة على الوقت للالتصاق فيزيائياً بأيونات الكروم. وعند تشغيل مصباح LED، كانت النتائج مذهلة. بدأت المادة المركبة الجديدة، التي أطلق عليها الباحثون اسم ZnPc_SB@TiO2، في تحويل الكروم السام فوراً تقريباً. وبعد تسعين دقيقة من التعرض للضوء المرئي، نجحت المادة في تحويل 88% من الكروم سداسي التكافؤ الخطير إلى الشكل الثلاثي الأكثر أماناً. وفي مقارنة مباشرة، اختبر الباحثون مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم العادي تحت نفس الظروف تماماً. وفشل المسحوق غير المعدل، الذي يفتقر إلى الغطاء العضوي الخاص، في القيام بأي شيء يُذكر، حيث حول أقل من 10% من الملوث. أثبت هذا الاختلاف الصارخ أن إضافة بوليمر فثالوسيانين الزنك لم يكن مجرد تعديل طفيف، بل كان تغييراً جوهرياً أطلق قدرة المادة على العمل مع الضوء المرئي.

ولفهم سبب عمل هذه المادة الجديدة بشكل جيد، فحص الباحثون خصائصها الفيزيائية والكيميائية بالتفصيل. ووجدوا أن الجمع بين المادتين خلق بنية إلكترونية جديدة سمحت للمادة بامتصاص نطاق أوسع من طاقة الضوء عما يمكن لثاني أكسيد التيتانيوم القيام به بمفرده. عمل البوليمر العضوي كمحسس، حيث يلتقط الضوء المرئي وينقل تلك الطاقة إلى ثاني أكسيد التيتانيوم لدفع التفاعل الكيميائي. علاوة على على ذلك، اكتشف الباحثون أن حموضة الماء لعبت دوراً حاسماً؛ حيث تعمل العملية بشكل أفضل في بيئة حمضية، حيث تصبح أسطح المادة مشحونة إيجابياً، مما يجذب أيونات الكروم سالبة الشحنة بفعالية ويجعلها قريبة بما يكفي لمعالجتها. كما أثبتت المادة متانتها؛ حيث تمكن الفريق من استعادة المسحوق، وتنظيفه، وإعادة استخدامه لأربع دورات متتالية. وبينما انخفضت كفاءتها قليلاً مع كل استخدام، إلا أنها ظلت فعالة للغاية، مما يشير إلى أنها قد تكون حلاً عملياً وطويل الأمد لتنقية المياه.

يسلط هذا العمل الضوء على مسار مستقبلي للمعالجة البيئية يعتمد على أدوات بسيطة وموفرة للطاقة. فمن خلال استخدام طريقة الطحن في الحالة الصلبة لإنشاء مادة تستجيب لإضاءة LED الشائعة، أظهر الباحثون أنه من الممكن إزالة المعادن الثقيلة الخطرة دون الحاجة إلى معدات باهظة الثمن أو مواد كيميائية قاسية. تشير الدراسة إلى أن تعديل سطح المحفزات الضوئية الشائعة بجزيئات عضوية محددة يمكن أن يعزز أداءها بشكل كبير في الظروف الواقعية. وبينما لا تزال الأبحاث في مرحلة المختبر، فإن معدل التحويل العالي والقدرة على إعادة استخدام المادة يقدمان لمحة مقنعة عن مستقبل يمكن فيه لأنظمة معالجة المياه أن تعمل بهدوء وكفاءة تحت توهج المصابيح الكهربائية القياسية، محولةً ملوثاً قاتلاً إلى مادة غير ضارة.