وفي دراسة شاملة، أظهر الفريق أن التحكم في عدد "عيوب الأكسجين" في جسيمات أكسيد الكوبالت النانوية يُمكن أن يُغير مسار إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية بشكل كامل، ويزيد من كفاءة التفاعل بشكل ملحوظ.

تُظهر النتائج أن التصميم الدقيق للبنية النانوية والتحكم في كثافة الإلكترونات على المستوى الذري يُحددان كيفية تكوّن الجذور الحرة واستهلاكها، وأي مسار، سواءً كان OH أو O₂•−، يلعب الدور الرئيسي في تحلل الملوثات. وقد يُمهد هذا الاكتشاف الطريق لتطوير جيل جديد من المحفزات النانوية الفعالة في تنقية المياه. 

في السنوات الأخيرة، تجاوز معدل إطلاق الملوثات الناشئة، بما فيها المضادات الحيوية، قدرة أنظمة معالجة المياه، مما جعل العديد من محطات المعالجة تعتمد على أساليب قديمة.

ومن بين الأساليب الواعدة لمكافحة هذه المركبات العنيدة، عملية شبيهة بعملية فنتون، وهي تفاعل ينتج جذورًا حرة قوية لكسر الروابط الكيميائية التي تربط المركبات المقاومة للأدوية. تكمن المشكلة في أن العديد من المحفزات الحالية لا تزال ذات كفاءة منخفضة، وتُهدر الطاقة الحقيقية للنظام بسبب ضعف مساحة السطح النشطة ومحدودية نقل الإلكترونات.

وقد دفع هذا الأمر مجموعة من الباحثين الدوليين إلى تصميم هياكل نانوية بدقة لفهم كيفية مضاعفة إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية.

في هذا السياق، قدّم فريق بحثي مشترك من جامعة عبادان للعلوم الطبية، وجامعة تسينغهوا، وجامعة تشونغ هسينغ الوطنية، وجامعة مدينة هو تشي منه للتكنولوجيا، وجامعة نانيانغ التكنولوجية، مسارًا جديدًا لتعزيز كفاءة عملية شبيهة بفنتون، وذلك من خلال دراسة دور البنية النانوية وهندسة عيوب الأكسجين في محفز أكسيد الكوبالت.

وقد استكشف هذا التعاون الموسع أحد أهم الأسئلة الأساسية في مجال أكاسيد المعادن: ماذا يحدث عند زيادة عدد عيوب الأكسجين عمدًا على المستوى النانوي، وكيف يمكن لهذه العيوب أن تؤثر سلبًا على أداء التفاعل؟

لطالما شكّل تصميم أكاسيد المعادن ذات "عيوب الأكسجين" أو OVs استراتيجية واعدة لتحسين النشاط التحفيزي الضوئي والنشاط الشبيه بتفاعل فنتون لسنوات عديدة. ومع ذلك، لا تزال هناك بعض الخلافات:

ما الذي تُغيره هذه العيوب تحديدًا في السلوك الإلكتروني؟ هل كلما زاد عدد الفراغات الأكسجينية، كان التفاعل أفضل؟ كيف تُؤدي هذه البنى إلى تنشيط أقوى لبيروكسيد الهيدروجين؟ وما هي النسبة بين أنواع المسارات الجذرية وغير الجذرية؟

للإجابة على هذه الأسئلة بدقة، قام الباحثون بتصنيع سلسلة من جسيمات Co₃O₄ النانوية ذات البنية الأساسية والغطاء، مع تحكم دقيق في كمية عيوب الأكسجين في كل عينة. وهنا يبرز دور تقنية النانو: هندسة الغطاء واللب، والتحكم في عدد العيوب الذرية، وضبط كثافة الإلكترونات على مستوى النانومتر الفرعي، وتقييمها باستخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT).

أظهرت التجارب والمحاكاة أن زيادة عيوب الأكسجين أدت إلى تغيير جذري في السلوك الإلكتروني لمواقع الكوبالت.

وعندما زادت عيوب الأكسجين، حدثت ثلاثة تطورات متزامنة:

* ازدادت كثافة الإلكترونات المحلية حول الكوبالت.
* انتقلت الإلكترونات من حالة موضعية إلى حالة منتشرة.
* انخفضت كثافة الشحنة وزادت الموصلية الكلية للمادة.

لم يكن هذا التغيير الإلكتروني تعديلاً بسيطاً، بل إعادة تصميم كاملة للموقع النشط. أصبحت مواقع الكوبالت الآن أكثر محبة للإلكترونات، مانحةً الإلكترونات بسهولة أكبر نظراً لانخفاض دالة شغلها. ونتيجةً لذلك، تم امتصاص جزيء H₂O₂ بطاقة أقل، وتمددت رابطة O-O فيه وضعفت أكثر من ذي قبل - وهو الوضع المطلوب تماماً لإنتاج جذر الهيدروكسيل.

في التجارب، تم إنتاج كل من جذر الهيدروكسيل (•OH) وجذر الأكسجين الفائق (O₂•−) في البداية، ولكن حدث أمر مثير للاهتمام. فقد استُهلك جذر الهيدروكسيل بسرعة كبيرة، وانخفضت مساهمته الفعلية في التفاعل. في المقابل، ازداد تركيز جذر الأكسجين الفائق (O₂•−) بمرور الوقت، وأصبح له الدور الرئيسي في تحلل المضاد الحيوي سلفاديازين (SDZ).

هذه هي النقطة الرئيسية للبحث: إن زيادة نقص الأكسجين لا تزيد فقط من كمية الجذور الحرة، ولكنها تتسبب أيضًا في دخول الإلكترونات المنقولة من SDZ نفسه إلى الدورة وتعزيز إنتاج O₂•−.

ببساطة، أصبح الملوث الذي كان من المفترض أن يتحلل مصدرًا لتضخيم التفاعل. تُقدّم هذه الآلية الجديدة مسارًا أكثر كفاءة لإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية، وتُبيّن أن المسار الأقوى في تفاعل فينتون ليس بالضرورة ما كنا نعتقده دائمًا.

وقد أصبحت كل هذه السلوكيات ممكنة بفضل التصميم النانوي لغلاف صفار البيض Co₃O₄، حيث:

سمح الشكل المجوف بنقل الإلكترونات بسرعة.

أدت عيوب الأكسجين المتحكم بها إلى إنشاء بنية غنية بالإلكترونات

سمح استقرار الجسيمات النانوية بالحفاظ على العملية على مدى عدة دورات متتالية.

إن هندسة هذه العيوب على المستوى الذري هي الجزء النانوي من المشروع الذي سمح بتوجيه مسار التفاعل وتضخيمه بشكل كامل. ولم يكن هذا التغيير ليتحقق لولا القدرة على التحكم في كثافة الإلكترونات ومساحة السطح النشطة على المستوى النانوي.

أظهر البحث أن تصميم المحفزات الشبيهة بفنتون يتجاوز مجرد زيادة مساحة السطح النشطة أو تعديل البنية.

فما يحدد الأداء هو الضبط الدقيق للسلوك الإلكتروني على المستوى الذري، بما في ذلك كثافة الإلكترونات، وطاقة امتزاز بيروكسيد الهيدروجين، ومسارات نقل الإلكترونات من الملوث. ومن خلال هندسة عيوب الأكسجين، تمكن الباحثون من إضعاف الرابطة O-O، وتعزيز إنتاج الأنواع النشطة، وتوفير مسار إلكتروني جديد لتحلل المضادات الحيوية بكفاءة.

تفتح هذه النتائج آفاقًا جديدة لتطوير محفزات ذكية وفعالة في تنقية المياه.