تخليق وتوصيف نانوكمبوزيت g-C3N5/CuS/AgNPs كمحفز ضوئي بنظام Z لتفكيك الميثيل باراثيون بكفاءة

لماذا هذا المادّة الجديدة لتنظيف المياه مهمة

الميثيل باراثيون هو مبيد قوي ساعد في حماية المحاصيل، لكنه يحمل عيبًا خطيرًا: حتى كميات صغيرة متبقية في الماء قد تضر البشر والحياة البرية، فتؤثر على الأعصاب والكبد والكلى. كما أنه يتحلل إلى مواد كيميائية سامة أخرى. تُبلغ هذه الدراسة عن مادة جديدة تعمل بضوء مرئي — مزيج خاص من جسيمات نانوية — يمكنه تفكيك الميثيل باراثيون في الماء بسرعة كبيرة باستخدام الضوء المرئي، ما يوفّر مسارًا واعدًا إلى مياه شرب آمنة وأنهار أنظف قرب الأراضي الزراعية.

مادة زراعية عنيدة في مياهنا

ينتمي الميثيل باراثيون إلى عائلة من المبيدات تُعطّل الجهاز العصبي. رغم أنه لا يذوب جيدًا في الماء، إلا أنه يمكن أن يصل إلى البرك والأنهار والمياه الجوفية عبر جريان مياه الأمطار من الحقول. ومتى تواجد هناك، يكون من الصعب إزالته وقد يسبب مشاكل صحية تتراوح بين الصداع والغثيان إلى تلف شديد في الأعضاء. طرق التنظيف التقليدية، مثل استخدام الميكروبات، أو الترشيح بالغشاء، أو إضافة مواد كيميائية، غالبًا ما تستغرق وقتًا طويلاً، وتنتج نفايات جديدة، أو تكون مكلفة جدًا للاستخدام على نطاق واسع. لذلك يسعى العلماء إلى طرائق تدمر هذه الجزيئات مباشرة بدلًا من نقلها من موضع إلى آخر.

استخدام الضوء لتحفيز كيمياء التنظيف

خيار جذاب هو التحفيز الضوئي، حيث يقوم ضوء بتزويد مادة صلبة بالطاقة بحيث تتمكن من تمزيق جزيئات الملوثات. عندما يصطدم الضوء بمادة صلبة مناسبة، يمكن أن ينشئ شحنات متحركة — إلكترونات سالبة الشحنة وفراغات موجبة تُسمى "حُفَرًا". إذا وصلت هذه الشحنات إلى السطح قبل أن تعاود الاندماج، فقد تتفاعل مع الأكسجين والماء لتكوّن أنواعًا فعالة وقصيرة العمر تهاجم الملوثات. التحدي هو تصميم مادة تمتص الضوء المرئي بكفاءة، وتفصل الشحنات بسرعة، وتوفّر سطحًا كبيرًا حيث يمكن أن تحدث التفاعلات.

بناء إسفنجة نانوية ثلاثية الأجزاء للضوء

في هذا العمل، بنى الباحثون نانوكمبوزيت ثلاثي الأجزاء، أو "ثلاثي"، بدمج: (1) g-C3N5، مادة كربونية-نيتروجينية تمتص الضوء المرئي؛ (2) جسيمات كبريتيد النحاس (CuS) شبيهة بالأزهار توفّر مساحة سطح كبيرة وحركة شحنات جيدة؛ و(3) جزيئات فضية نانوية صغيرة تساعد على نقل الإلكترونات وتعزّز امتصاص الضوء. حضّروا أولًا g-C3N5 من مركب مختبري شائع، ثم نَمّوا CuS بهيكل شبيه بالبتلات، وأخيرًا زينوا الخليط بالفضة باستخدام عامل مخفض. أظهرت مجاهر إلكترونية عالية الدقّة g-C3N5 كصفائح، وCuS كمجموعات "أزهار"، والفضة ككرات صغيرة مثبتة على السطح. كشفت قياسات مساحة السطح أن المادة المركبة لديها مساحة تفاعلية أكبر بكثير من مكوناتها الفردية، وأظهرت اختبارات بصرية أن فجوة الطاقة لامتصاص الضوء انخفضت إلى نحو 1.5 إلكترون فولت، ما يعني أنها يمكن أن تستخدم الضوء المرئي بفعالية عالية.

مدى قدرة المادة الجديدة على تدمير الميثيل باراثيون

اختبر الفريق بعد ذلك مدى قدرة هذا النانوكمبوزيت على إزالة الميثيل باراثيون من الماء تحت ضوء مرئي. أزال الضوء وحده نحو 2% فقط من المبيد في ساعة، والمادة في الظلام لم تزل شيئًا تقريبًا — ما يوضّح أن كلا من الضوء والمحفز ضروريان. بالمقابل، تفكّك المركب الثلاثي نحو 95% من الميثيل باراثيون خلال ساعة واحدة تحت ضوء مرئي عند حموضة طفيفة مقدارها 6 وجرعة معتدلة من المحفز. أظهرت الاختبارات عبر قيم pH مختلفة، وكميات محفز مختلفة، ومستويات مبدئية مختلفة من المبيد أن الأداء بلغ ذروته عند pH = 6 وبتركيز وسيط للمحفز؛ فالكثير من المادة يسبّب تكتلاً ويقلّل الكفاءة. حتى عند زيادة تركيز المبيد الابتدائي، استمرت المادة في إزالة معظمه، رغم أن التركيزات العالية جدًا أبطأت العملية نتيجة احتشاد مواقع الفعل على الجسيمات.

كشف كيف تقوم الجسيمات بالعمل

لفهم كيمياء التنظيف، أضاف الباحثون مواد "مصيدة" تختص بحجب أنواع تفاعلية معينة. عندما حجبوا جذور الهيدروكسيل أو أنواع السوبرأوكسيد، انخفض تحلل الميثيل باراثيون بشكل حاد، ما كشف أن هذه الأشكال النشطة جدًا من الأكسجين تقوم بالجزء الأكبر من العمل التدميري. أظهرت قياسات انبعاث الضوء والمقاومة الكهربائية أن المادة الثلاثية تحافظ على فصل الإلكترونات والحفر لفترة أطول من أي مكون فردي، مما يسمح بتكوّن المزيد من هذه الجذور. يقترح المؤلفون مسارًا يسمى مخطط Z: تحت الضوء، تتحرك الإلكترونات والحفر على طول "زجزاج" طاقي بين g-C3N5 وCuS والفضة، متراكمة بشكل مضبوط يترك حفرًا مؤكسدة قوية على g-C3N5 وإلكترونات مُختزلة قوية على CuS. هذه بدورها تولّد الجذور التي تهاجم وتفكك جزيئات المبيد إلى منتجات أصغر وأقل ضررًا.

ماذا قد يعني هذا لمياه أنظف

من منظور عام، توضح هذه الدراسة أنه من الممكن تصميم جسيمات نانوية صغيرة ومتينة تعمل كمنظفات تعمل بالطاقة الشمسية للمبيدات العنيدة. أزال النانوكمبوزيت الجديد g-C3N5/CuS/Ag ما يقرب من كامل الميثيل باراثيون من الماء في ساعة تحت ضوء مرئي واحتفظ بأدائه الجيد على عدة دورات إعادة استخدام، ما يشير إلى أنه قد يكون أداة عملية لمعالجة مياه الصرف الزراعي. وبما أنه سهل ومنخفض التكلفة نسبيًا في التصنيع، ولأنه يستخدم الضوء بدلًا من كميات كبيرة من المواد المضافة، فقد يساعد هذا الأسلوب في حماية مياه الشرب والنظم البيئية في المناطق الزراعية إذا أمكن توسيع نطاقه ودمجه في أنظمة معالجة.

الاستشهاد: Teymourinia, H., Alshamsi, H.A., Gharagozlou, M. et al. Synthesis and characterization of g-C₃N₅/CuS/AgNPs nanocomposite as a Z-scheme photocatalyst for efficient methyl parathion degradation. Sci Rep 16, 6619 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35254-6

الكلمات المفتاحية: الميثيل باراثيون, محفز ضوئي, نانوكمبوزيت, تنقية المياه, تحلل المبيدات