الملخص
إن تخليق ودراسة الأداء الضوئي التحفيزي للمواد النانوية المركبة من كحول البولي فينيل/أكسيد الزنك (PVA/ZnO) ذو أهمية كبيرة، نظراً لتطبيقاته الواسعة في حماية البيئة والأجهزة البصرية والإلكترونية والهندسة الطبية الحيوية.
تم تصنيع المركب الجديد باستخدام البولي فينيل/أكسيد الزنك لتعزيز الخصائص الميكانيكية والضوئية.
في هذا البحث، تم تحضير مركبات PVA/ZnO بطريقة الترسيب الكيميائي من أسفل إلى أعلى.
تمت مقارنتها بجسيمات ZnO النانوية النقية لتقييم خصائصها البنيوية والبصرية والتحفيزية الضوئية.
الأهمية البيئية
يمثل تلوث البيئة، وخاصة تلوث المياه بالصبغات السامة والمعادن الثقيلة، تحدياً عالمياً خطيراً. ومن بين هذه الملوثات، يُعد الكريستال فيوليت صبغة كاتيونية عالية الذوبان في الماء والإيثانول، ذات امتصاص قوي عند 590 نانومتر، مما يجعلها ملوثاً بيئياً خطيراً وصعب التحلل. إن الطرق التقليدية لمعالجة مياه الصرف مثل الامتزاز والتخثر تعاني من قيود من حيث الكفاءة والتكلفة. بينما يوفر التحلل الضوئي التحفيزي باستخدام المواد النانوية شبه الموصلة حلاً فعالاً ومنخفض التكلفة وصديقاً للبيئة لإزالة الصبغات.
التخليق والتوصيف البنيوي
تم تخليق مركبات PVA/ZnO باستخدام كحول البولي فينيل كمثبت وعامل معدل.
أظهر تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) أن إضافة PVA قللت شدة قمم حيود ZnO.
هذا يرجع إلى تكوين أطوار مختلطة وزيادة الإجهادات البنيوية.
بلغ متوسط حجم البلورات أقل من 50 نانومتر.
أظهرت المركبات النانوية PVA/ZnO كثافة عيوب وتشوهات مجهرية أعلى مقارنة بـ ZnO النقي.
كشفت صور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) أن كل من ZnO و PVA/ZnO يتكونان من جسيمات نانوية متعددة البلورات ذات شكل يشبه الحصى، وبحجم أقل من 49 نانومتر. كما أكدت تقنيات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والتحليل الطيفي بالأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) التوزيع المتجانس للعناصر داخل مصفوفة البوليمر.
الخصائص البصرية والميكانيكية
أظهر التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية والمرئية أن فجوة الحزمة بلغت 3.14 إلكترون فولت لـ ZnO و 3.09 إلكترون فولت لـ PVA/ZnO. يشير الانخفاض الطفيف في فجوة الحزمة إلى تحسين امتصاص الضوء، وهو أمر إيجابي للتطبيقات الضوئية التحفيزية. أظهرت دراسات التألق الضوئي (PL) أن PVA يقلل من إعادة الاتحاد غير الإشعاعي لحاملي الشحنة، مما يعزز الخصائص البصرية.
أظهر التقييم الميكانيكي، بناءً على حسابات معامل يونغ، أن مركبات PVA/ZnO تتحمل إجهاداً أعلى وكثافة طاقة أكبر مقارنة بـ ZnO النقي، وذلك بفضل مرونة المصفوفة البوليمرية.
الأداء الضوئي التحفيزي
تمت دراسة الأداء التحفيزي الضوئي لكل من ZnO و PVA/ZnO من خلال تحلل صبغة الكريستال فيوليت تحت الإشعاع فوق البنفسجي. بعد 90 دقيقة، بلغت كفاءة التحلل 49% لـ ZnO و 48% لـ PVA/ZnO، مع ثوابت معدل 0.00747 و 0.00694 دقيقة⁻¹ على التوالي، مما يشير إلى أداء متقارب.
التطبيقات الواسعة والآفاق المستقبلية
تتميز مركبات PVA/ZnO النانوية بإمكانيات متعددة في مجالات مختلفة، منها:
- حماية البيئة: إزالة الملوثات العضوية، معالجة مياه الصرف، التعقيم.
- الأجهزة البصرية الإلكترونية: المجسات، الكواشف الضوئية، وأجهزة الإضاءة.
- الهندسة الطبية الحيوية: أنظمة توصيل الأدوية، الطلاءات المضادة للبكتيريا، وهندسة الأنسجة.
- مجال الطاقة: المكثفات الفائقة، الخلايا الشمسية، وبطاريات أيونات الزنك.
إضافة PVA تعزز من توزيع الجسيمات النانوية، وتعدل التركيب الإلكتروني، وتقلل من إعادة الاتحاد الإلكتروني-الفجوي، مما يزيد من الاستقرار.
الخاتمة
أظهرت هذه الدراسة نجاح تخليق وتوصيف المواد النانوية المركبة PVA/ZnO بطريقة الترسيب الكيميائي. وقد بينت التحاليل أن هذه المركبات تمتلك خصائص بنيوية وبصرية وميكانيكية محسنة مقارنةً بـ ZnO النقي. كما أثبتت التجارب أن PVA/ZnO تقدم أداءً ضوئياً تحفيزياً مشابهاً لـ ZnO في تحلل الكريستال فيوليت، مما يجعلها واعدة للتطبيقات البيئية والبصرية الإلكترونية.
الكلمات المفتاحية: التخليق، التوصيف، الأداء الضوئي التحفيزي، كحول البولي فينيل (PVA)، أكسيد الزنك (ZnO)، المواد النانوية المركبة، تحلل الكريستال فيوليت، حماية البيئة
اقرأ المزيد :