القاهرة 09 فبراير 2023 الساعة 12:41 م
 

كتبت: إنجي عبد المنعم
حصلت الباحثة رباب خالد جمعه خالد على درجة الدكتوراه من كلية العلوم بجامعة عين شمس، عن رسالة بعنوان "تحضير ودراسات فيزوكيميائية لمواد السيليكا الميزومسامية المهجنة لاستخدامها في تنقية المياه والتطبيقات الإلكترونية".
تكوّنت لجنة المناقشة والحكم من الدكتور عيسى السيد سيد هيكل، أستاذ الكيمياء الفيزيائية – قسم الكيمياء بجامعة عين شمس، مشرفًا ومناقشًا، والدكتور عصام عبد العزيز كيشار، أستاذ الكيمياء غير العضوية والتحليلية - قسم الكيمياء بكلية البنات للآداب والعلوم والتربية جامعة عين شمس، مناقشًا، والدكتور ياسر كمال عبد المنعم أحمد، أستاذ الكيمياء غير العضوية - قسم الكيمياء بكلية العلوم جامعة المنوفية، مناقشاً، الدكتور ماجدة ضوى بدري، أستاذ الكيمياء الفيزيائية التطبيقية – قسم الكيمياء الفيزيقية بالمركز القومي للبحوث، مشرفًا ومناقشًا.
حضر المناقشة عدد من الطلاب والباحثين وأسرة الباحثة رباب خالد جمعه، وعدد من العاملين بالمركز القومي للبحوث.
وتحتوي الرسالة على ثلاثة فصول مقسمة على النحو التالي:
الفصل الأول (مقدمة): تضمن الدراسات السابقة لأساسيات المواد المسامية بما في ذلك تعريف وتصنيف وأهمية مواد السيليكا الميزومسامية المنتظمة التركيب النقية والموظفة. ولقد ألقت الدراسات السابقة أيضًا الضوء على تحضير مواد السيليكا المسامية المنتظمة التركيب وتوظيف هذه المواد لتكوين متراكبات. كما تمت مناقشة تطبيقات مواد السيليكا الميزومسامية النقية والموظفة.
الفصل الثانى (الجزء العملي): عرض وصفاً مفصلاً لجميع المواد والتجارب المستخدمة في تحضير MCM-41. تم استخدام طريقتين حراريتين مساعدتين (الأوتوكلاف والترسيب المشترك) للحصول على MCM-41 الميزومسامي النقي المنتظم التركيب مع الأخذ في الاعتبار هدف الوصول إلى خصائص تركيبية جيدة مع تركيب مسامى منتظم الترتيب بطريقة جيدة. في الطريقة الحرارية المائية باستخدام الأوتوكلاف، تم دراسة تأثيرات تغيير أنواع وتركيزات المادة الخافضة للتوتر السطحي باستخدام ثلاثة مواد مختلفة خافضة للتوتر السطحي: CTAB، البيريدينيوم والميريستيل كقوالب بنسب تركيز مولاري مختلفة (0.06 ، 0.12 ، 0.25 و 0.415 م) من المادة الخافضة للتوتر السطحي نسبة إلى مصدر السيليكا. من ناحية أخرى، في الطريقة الحرارية المائية باستخدام الترسيب المشترك، تمت دراسة مقارنة بين مصدرين مختلفين للسيليكا: TEOS وسيليكات الصوديوم كمادة منخفضة التكلفة.
بالاقتران مع هذه النقطة الجديرة بالاهتمام، تم دمج ال MCM-41 الميزومسامي بتركيزات مختلفة من الإنديوم (Si/In = 95 و Si/In = 90) لتحسين الخواص الكيميائية والفيزيائية لـ MCM-41 وكذلك لتعزيز قدرة التبادل الأيوني من خلال توليد عدد كبير من المواقع النشطة وذلك باستخدام الطريقة الحرارية المائية. علاوة على ذلك، تم تعديل سطح  In-MCM-41 (Si/In = 95) باستخدام نسب تركيز مختلفة (1 و 3 و 5 ?) من الكوبالت بطريقة ما بعد التطعيم.
    بالتوازي مع التحضير الناجح للمساحيق الميزومسامية المذكورة أعلاه، تم تحضير أفلام من البوليستيرين النقي و أفلام البوليستيرين مع MCM-41 النقي وIn-MCM-41  بطريقة الصب. كما أوضح هذا الفصل إجراءات تقييم الامتزاز والتحفيز الضوئي للمواد المحضرة. لقد اشار هذا الفصل أيضًا الى شرح الأسس النظريه للقياسات والتقنيات المستخدمة لتوصيف العينات المحضرة مثل: 
XRD, SEM-EDX, TEM, diffuse re?ectance (DR) UV−vis, FT-IR and Hioki LCR. 
الفصل الثالث (النتائج والمناقشة): تضمن مناقشة النتائج التي تم الحصول عليها من تقنيات التوصيف المختلفة. علاوة على ذلك، فقد اشتمل على تقييم الامتزاز وكذلك النشاط التحفيزي الضوئي للمساحيق المحضرة ودراسة الخواص الكهربائية للأفلام المحضرة. تم تنظيم هذا الفصل في خمسة أجزاء:

الجزء الأول:
في الطريقة الحرارية المائية باستخدام الأوتوكلاف، تم توصيف أربع عينات مختلفة لل MCM-41 الميزومسامى النقى المحضر باستخدام تركيزات مختلفة من كل مادة خافضة للتوتر السطحي؛ خافض التوتر السطحي CTAB (عينات MC0.06، MC0.12، (MC0.25 و (MC0.415، خافض التوتر السطحي البيريدينيوم عينات MP0.06، MP0.12، MP0.25) و (MP0.415 وخافض التوتر السطحي الميريستيل عينات MM0.06، MM0.12، (MM0.25 و (MM0.415  بواسطة .XRD, SEM, TEM, FT-IR). 
أكدت نتائج حيود الأشعة السينية التحضير الناجح لل MCM-41 الميزومسامي النقي منتظم التركيب لجميع العينات المحضرة باستخدام مواد ال CTAB والميريستيل الخافضة للتوتر السطحي. لقد وجد أن تركيب  MCM-41 الميزومسامي النقي الأعلى جودة وانتظامًا تم تكوينه باستخدام الـ CTAB أو الميريستيل بتركيز 0.25 م و 0.12 م، ومع ذلك فإن تركيز 0.25 م أنتج درجة أعلى من تركيب MCM-41 النقي المنتظم أكثر من تركيز 0.12 م. من ناحية أخرى، بالنسبة لـ MCM-41 المتكون باستخدام خافض التوتر السطحي البيريدينيوم، أوضحت نتائج حيود الأشعة السينية أن البنية الميزومسامية لها درجة منخفضة من التركيب المنتظم والتي كانت نتيجة لحجم مجموعة الرأس القطبية لخافض التوتر السطحي البيريدينيوم.
أكدت نتائج امتزاز N2 أن جميع المواد المحضرة باستخدام مواد ال CTAB، البيريدينيوم والميريستيل الخافضة للتوتر السطحي أظهرت isotherms من النوع الرابع. بالنسبة لخافض التوتر السطحي CTAB، كان الميل الحاد لعينة MC0.25 مؤشراً جيداً على الانتظام العالي لحجم المسام، والذي كان متناسقًا مع نتائج حيود الأشعة السينية. زادت مساحة السطح من 768 م 2/ جم، في عينة MC0.12، إلى 971 م 2/ جم في عينة MC0.25 ثم انخفضت إلى 466.4 م 2/ جم في عينة MC0.415. أظهرت كل من عينات MC0.12 و MC0.25 توزيعًا ضيقًا للحجم الميزومسامي; بينما يمكن توضيح اختلاف جدير بالملاحظة في توزيع حجم المسام في MC0.415. بشكل عام، كانت نتائج حيود الأشعة السينية متوافقة جيدًا مع نتائج امتزاز N2 وأكدت التركيب المنتظم جيدًا لعينات MC0.25 و MC0.12.
بالنسبة لخافض التوتر السطحي البيردينيوم، لقد وجد أن مساحة السطح لعينات MP0.06 و MP0.12 و MP0.25 و MP0.415   هي 338.1و 443.1 و 786.8 و 219.8 م 2/ جم على التوالي. لقد أظهرت جميع العينات اختلافًا في توزيعات حجم المسام؛ في حين أنه من الجدير بالملاحظة أنه يمكن الكشف عن توزيع ضيق للحجم الميزومسامي في عينة MP0.25. لقد اقترح هذا الانتظام الأقل في توزيع حجم المسام في العينات وجود اضطراب أكبر في هذه المواد والذي كان متناسقًا مع نتائج حيود الأشعة السينية. على الرغم من أن السيليكا الميزومسامية المحضرة باستخدام البيريدينيوم كقالب لها درجة منخفضة من التركيب المنتظم، إلا أنها كانت ذات حجم مسام أكبر، وهذا أمر مهم أيضًا لتطبيقات نقل الدواء والامتزاز.
بالنسبة لخافض التوتر السطحي الميريستيل، لقد وجد أن مساحة السطح لعينات MM0.06 و MM0.12 و MM0.25 و MM0.415 هي 845.6 و 808.3 و 863 و 972.7 م 2/ جم على التوالي. لقد أظهرت جميع العينات اختلافًا في توزيعات حجم المسام؛ في حين أنه من الجدير بالملاحظة أنه يمكن الكشف عن توزيع ضيق للحجم الميزومسامي في عينة MM0.25. بشكل عام، كانت نتائج حيود الأشعة السينية متوافقة جيدًا مع نتائج امتزاز N2 وأكدت التركيب المنتظم جيدًا لعينات MC0.25 و MC0.12.
في الطريقة الحرارية المائية باستخدام الترسيب المشترك، تم توصيف عينتين مختلفتين من MCM-41 الميزومسامي النقي المحضر باستخدام مصادر مختلفة من السيليكا: TEOS (عينة MT) وسيليكات الصوديوم (عينة MS) بواسطة .XRD, SEM, TEM, FT-IR  
أكدت نتائج حيود الأشعة السينية التحضير الناجح لل MCM-41 الميزومسامي النقي المنتظم بدرجة عالية لعينات MT و MS وخاصة لعينة MS. أكدت نتائج امتزاز N2 أن عينات MT و MS أظهرت isotherms من النوع الرابع. كان الميل الحاد لعينة MS مؤشرًا جيدًا على الانتظام العالي لحجم المسام، والذي كان متناسقًا مع نتائج حيود الأشعة السينية. لقد وجد أن مساحة السطح لعينات MT و MS هى 815 و 1200 م 2/ جم على التوالي. أظهرت كلًا من عينات MT و MS توزيعًا ضيقًا للحجم الميزومسامي. بشكل عام، كانت نتائج حيود الأشعة السينية متوافقة جيدًا مع نتائج امتزاز N2 وأكدت التركيب المنتظم جيدًا لعينات MS و MT.

الجزء الثاني:
الجزء الثاني كان معنيًا بتوصيف الـ MCM-41 النقي المنتظم بدرجة عالية (عينة MC0.25) ومتراكبات In-MCM-41 بواسطة XRD, SEM-EDX, TEM, diffuse reflectance, FT-IR. 
أكدت نتائج حيود الأشعة السينية التركيب المنتظم بدرجة عالية لعينات الـ MCM-41 النقية و IM0.05 من خلال إظهار قمم الانحراف المرتبطة بـ (210) و (300) والتي كانت مميزة لتركيب الـ MCM-41 المنتظم جيدًا. أظهرت نتائج حيود الأشعة السينية اتساعاً في قمم حيود الأشعة السينية بالإضافة إلى إزاحات نتيجة اقحام ذرات الانديوم في البنية الهيكلية للـ MCM-41. لقد وجد بشكل مثير للاهتمام أن محتوى الإنديوم المنخفض (5?) أدى إلى انكماش معامل الخلية بينما أدى زيادة محتوى الإنديوم إلى 10? إلى عكس التأثير وتوسيع معامل الخلية. قد يؤدي استخدام كمية كبيرة من الإنديوم (In/Si = 10?) إلى انهيار جزئي لبنية الـ  MCM-41. من ناحية أخرى، أظهرت عينة الـ IM0.05 بشكل ملحوظ تركيب مسامي منتظم جيدًا.
في حين أظهرت صور كلاً من الميكروسكوب الإلكتروني الماسح والنافذ، أن الـ MCM-41 النقي و IM0.05 تحافظان على نظاماً بنائياً ذو شكل سداسي عالي الانتظام والذي كان في اتفاق جيد مع كل من نتائج حيود الأشعة السينية وامتزاز N2، من ناحية أخرى، أدى زيادة محتوى الإنديوم (IM0.1) إلى إحداث تغييراً جزيئاً في انتظام المسام وخللاً في الخواص المورفولوجية كنتيجة لانحلال جزئي في بنية MCM-41 .
 

الجزء الثالث: 
الجزء الثالث اهتم بتوصيف متراكب الـIn-MCM-41 IM0.05) ) المعدل بالكوبالت باستخدام نسب تركيز مختلفة (1 و 3 و 5 ?) من الكوبالت. لقد تم توصيف العينات المحضرة، IM0.05، IMC1، IMC3 و IMC5 بواسطة XRD, SEM-EDX, TEM, diffuse reflectance, FT-IR.  
كان اتساع قمم حيود الأشعة السينية وكذلك فقدان بعض القمم أو الانخفاض في شدتها مؤشرات مميزة لتعديل سطح الـ In-MCM-41 بالكوبالت. أكدت نتائج امتزاز N2 أن جميع العينات أظهرت isotherms من النوع الرابع. في البداية زادت مساحة السطح بعد تحميل الكوبالت ولكنها انخفضت مع زيادة تركيز الكوبالت. أظهرت جميع عينات IM0.05 و IMC1 و IMC3 توزيعًا ضيقًا للحجم الميزومسامى؛ بينما يمكن توضيح اختلاف جدير بالملاحظة في توزيع حجم المسام في IMC5. بشكل عام، كانت نتائج حيود الأشعة السينية متوافقة جيدًا مع نتائج امتزاز N2. لقد أظهرت صور ال SEM وجود الكوبالت على سطح MCM-41 وأغلقت المسام. أكدت الـEDX  لعينات IMC1 و IMC3 و IMC5 وجود عناصر O و Si و In و Co مع عدم وجود شوائب أخرى.
ومن المثير للاهتمام، أن قيمة فجوة النطاق لـ IM0.05 انخفضت لتصل إلى 1.5 و 1.48 و 1.47 الكترون فولت لعينات IMC1 و IMC3 و IMC5 على التوالي بسبب تعديل سطح الـ In-MCM-41 بالكوبالت. مع زيادة نسبة تركيز Co من 1? إلى 5?، كان الانخفاض في فجوة النطاق أكثر وضوحًا مع زيادة قدرة امتصاص الضوء المرئي. لقد أشارت هذه النتائج إلى أن مركبات IMC1 و IMC3 و IMC5 يمكن اعتبارها كمحفزات واعدة في تطبيقات التحفيز الضوئي للضوء المرئي.

الجزء الرابع:
الجزء الرابع اهتم بتوصيف أفلام البوليستيرين النقي وأفلام البوليستيرين مع  MCM-41 و In-MCM-41 . تم فحص الخواص العازلة للأفلام المحضرة ولقد أظهرت ارتفاع فى قيم ثابت العزل وفقد العزل الكهربائي عند ترددات قليلة عن قيم فيلم البوليستيرين النقي، وذلك في حالة أفلام مع  MCM-41 النقي وIM0.05 . وأخيرًا، لقد أوضحت خصائص العزل الكهربائي عن إمكانية استخدام الأفلام المحضرة في أنظمة الطاقة الكهربائية المتقدمة والأجهزة الإلكترونية.
 

الجزء الخامس:
الجزء الخامس كان معنيًا بتطبيقات الـ MCM-41 الميزومسامي النقي المنتظم بدرجة عالية والمحضر باستخدام خافض التوتر السطحي CTAB (عينة MC0.25) ومتراكبات In-MCM-41 لإزالة صبغات MB و BY28 من المياه. تم دراسة مدى كفاءة استخدام عينات ال MCM-41النقي و الـ In-MCM-41 لامتزاز الأصباغ. تم تعزيز كفاءة إزالة كل من MB و BY28 من خلال دمج الإنديوم في الـ MCM-41. دلت نتائج امتزاز صبغة BY28 لكل من العينة النقية، IM0.05 و IM0.1 توافقاً مع نموذج امتزاز Langmuir بسعة امتزازيه بلغت 123.46 و156.99 و158.48 ملجم/جرام على التوالي. ووجد أن طاقة الامتزاز والتي تم الحصول عليها من D-R isotherm تقدر ب 26.7  كيلوجول/ مول مما يشير إلى أن امتزاز BY28 على IM0.05 امتزازا كيميائيًّا. أظهرت النتائج الحركية لصبغة BY28 على عينة IM0.05 أن عملية الامتزاز تتبع نموذج الدرجة الثانية الزائفة. لقد أظهرت تجارب الامتزاز أن العينات المحضرة قد تم تقييمها على أنها مواد ممتزة فعالة لإزالة الأصباغ BY28 و MB من المحاليل المائية مع استعادة جيدة وقابلية لإعادة التدوير.
اهتم هذا الجزء أيضًا بتطبيقات الـMCM-41 الميزومسامي النقي المنتظم بدرجة عالية والمحضر باستخدام خافض التوتر السطحي الميريستيل (عينة MM0.25) لإزالة عقار TC من المياه. لقد وجد أنه تم استخدام جرعة الممتز 5 جم/ لتر كجرعة مثالية لدراسة الامتزاز. تم دراسة تأثير التركيز الأولى على كفاءة الامتزاز باستخدام تركيز أولي متفاوت من  (TC 5-50مجم لتر-1). بالنسبة لـ TC عند 5 مجم لتر-1، كانت إزالة الامتزاز 91.6? خلال 5 دقائق فقط. دلت نتائج الامتزاز لعقار TC على عينة MM0.25 توافقًا مع نموذج الامتزاز Langmuir. كما اظهرت النتائج الحركية لعقار TC على عينة MM0.25 أن عملية الامتزاز تتبع نموذج الدرجة الثانية الزائفة (R2= 0.99999). لقد اظهرت تجارب الامتزاز أن عينة MM0.25 يمكن استخدامها كمادة ممتزة فعالة لإزالة عقار TC من المحاليل المائية.
تم تقييم نشاط التحفيز الضوئي لل In-MCM-41 المعدل بالكوبالت (عينات IMC1 و IMC3 وIMC5) لتكسير صبغة BY28 وعقار TC تحت إشعاع ضوء الشمس. بعد 15 دقيقة، كانت كفاءة إزالة العينات لصبغة  97.3 BY28و 96.8 و 99.4? لمتراكبات IMC1 و IMC3 و IMC5 على التوالي، وبالنسبة لعقار TC كانت 71.6 و 52.4 و 67? لمتراكبات IMC1 و IMC3 و IMC5على التوالي. لقد أشارت هذه النتائج إلى أن وجود الCo  لعب أدوارًا إيجابية في تعزيز النشاط التحفيزي. عينات IMC1 و IMC3 و IMC5، على التوالي، لها فجوة في نطاق الضوء المرئي تبلغ 1.5 و 1.48 و 1.47 الكترون فولت مع سعة كبيرة لامتصاص المزيد من الأطوال الموجية، وبالتالي إنتاج حاملات الشحنة (أزواج الفجوة-الالكترون) بكثافة عالية. إلى جانب ذلك، يمكن أن يعمل Co2+ و Co3+ كمصيدة لحالات الاكسدة تمنع إعادة تركيب أزواج الفجوة-الالكترون المولدة ضوئيًا. بناءً على هذه العوامل، أظهرت العينات أعلى نشاط تحفيزي ويمكن اعتبارها كمحفزات ضوئية واعدة لتكسير الملوثات العضوية.

الهدف الرئيس لهذه الرسالة هو استكشاف الظروف المثلى لتحضير مواد السيليكا الميزومسامية المنتظمة التركيب (MCM-41) ومتراكبات السيليكا الميزومسامية المهجّنة الجديدة; متراكبات In-MCM-41 و Co-In-MCM-41 ذات الخصائص المرغوبة ليتم استخدامها بكفاءة لإزالة المواد الخطرة (مثل الأصباغ والعقاقير) من المياه. تم توسيع العمل لتحضير أفلام البوليستيرين النقي وأفلام البوليستيرين من مساحيق MCM-41 الميزومسامية النقية والمهجنة. وولوصول إلى هذه النتائج تم دراسة الخواص الكهربائية لهذه الأفلام بما في ذلك قياسات العزل الكهربائى.