مجلۀ پژوهش فیزیک ایران

شماره جاری

بر اساس شماره‌های نشریه

بر اساس نویسندگان

بر اساس موضوعات

نمایه نویسندگان

نمایه کلیدواژه ها

درباره نشریه

اهداف و چشم انداز

هیئت دبیران

اصول اخلاقی انتشار مقاله

بانک ها و نمایه نامه ها

پیوندهای مفید

پرسش‌های متداول

فرایند پذیرش مقالات

اطلاعات آماری نشریه

اخبار و اعلانات

کاتالیزورهای نوری نیمه‌هادی نانوساختاری: فیزیک و کاربردهای آن‌ها در توسعۀ پایدار

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

1 پژوهشکده جامع علوم و فناوری‌های همگرا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

2 دانشکده شیمی، دانشگاه الزهرا، تهران

3 -پژوهشکده جامع علوم و فناوری‌های همگرا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران -دانشکده فیزیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

چکیده

توسعۀ جوامع بشری، استفادۀ بی­رویه از سوخت­های فسیلی وگسترش فعالیت‌های صنعتی، به‌طور چشمگیری منجر به بروز مشکلات جدی زیست‌محیطی شامل آلودگی‌های آب، هوا و خاک شده است.  لذا برای رفع این چالش­ها به کارگیری فناوری‌های پاک و پایدار مورد توجۀ جدی محققین در سال­های اخیر قرار گرفته است. در این راستا، استفاده از کاتالیزورهای نوری نیمه‌هادی نانوساختاری با ترازهای انرژی نوار ظرفیت و نوار رسانش مناسب، همراه با شدت و طول‌موج کافی نور تابشی، به‌عنوان یکی از رویکردهای نوین و مؤثر در جهت نیل و گامی به سوی توسعۀ پایدار به طور مشخص تولید سوخت پاک و تخریب آلاینده­های محیطی مطرح شده است. کاتالیزور‌های نوری نیمه‌هادی به‌دلیل ویژگی‌های فیزیکی منحصربه‌فرد آن­ها مانند گاف انرژی قابل تنظیم، مساحت سطح ویژۀ بالا و همچنین جداسازی و انتقال مؤثرحامل­های بار، قادر به انجام واکنش‌های شیمیایی با مشارکت نور مناسب با بازده تبدیل بالا هستند. علاوه بر آن، کاربرد اصلی کاتالیزورهای نوری نانوساختاری در تصفیۀ پساب­های صنعتی، حذف ترکیبات پایدار و سمی شامل آلاینده‌های دارویی و رنگ‌های سنتزی به‌ویژه در صنایع نساجی، از طریق پتانسیل بالای آن‌ها در حفاظت از منابع آبی و سلامت زیست‌بوم‌ به خوبی گزارش شده است. در این مقالۀ مروری، به بررسی اصول فیزیک و سازوکار‌ حاکم بر فرآیند شیمیایی تخریب کاتالیز نوری آلاینده‌های دارویی و رنگی از پساب­های صنعتی بر سطح کاتالیزور نوری نیمه­هادی مناسب برای توسعۀ پایدار جوامع به ویژه در زمینۀ حفاظت از محیط زیست پرداخته می­شود. در ادامه، انواع مختلف مواد نیمه‌هادی به‌عنوان کاتالیزور نوری معرفی می‌شوند و سپس عوامل مؤثر بر کارایی آن­ها شامل شرایط محیطی واکنش، نوع آلاینده (دارو یا رنگ)، طراحی ساختار بلوری کاتالیزورهای نوری و همچنین نحوۀ اتصال نامتجانس دو نیمه­هادی مورد بررسی قرار می‌گیرند. در نهایت، چالش‌های موجود در مقیاس‌پذیری فناوری کاتالیز نوری برای کاربردهای صنعتی با مشارکت نورخورشید، ارائه خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Nanostructered semiconductor photocatalysts: Physics and their applications towards sustainable society

نویسندگان [English]

  • Nahal Goodarzi 1
  • Morasae Samadi 2
  • Ali Reza Moshfegh 3

1 Nano Center - Institute for Convergence Science and Technology, Sharif University of Technology, Tehran, 14588-89694, Iran

2 Department of Chemistry, Alzahra University

3 -Nano Center - Institute for Convergence Science and Technology, Sharif University of Technology, Tehran, 14588-89694, Iran -Department of Physics, Sharif University of Technology, Tehran, 11155-9161, Iran

چکیده [English]

The development of human societies, the excessive use of fossil fuels, and the expansion of industrial activities have significantly led to severe environmental issues, including water, air, and soil pollution. Therefore, in order to address these challenges, the application of clean and sustainable technologies has received considerable attention in recent years. In this context, the use of nanostructured semiconductor photocatalysts with suitable valence and conduction band energy levels, along with sufficient incident light intensity and proper wavelength for their activation, has emerged as a promising and effective approach to achieve sustainable development. Semiconductor photocatalysts, owing to their unique physical properties such as tunable bandgap and high specific surface area, as well as efficient charge carrier separation and transport, are capable of driving chemical reactions under appropriate illumination with high conversion efficiency. Moreover, due to their significant potential in protecting water resources and ecosystems, nanostructured photocatalysts have gained considerable attention in industrial wastewater treatment. Their primary application has been extensively reported particularly in the degradation of persistent and toxic pollutants such as pharmaceutical residues and synthetic dyes, especially in textile industries. This study provides the fundamental physics and underlying mechanisms of the photocatalytic degradation reactions of pharmaceutical and dye pollutants from industrial wastewater on the surface of suitable semiconductor photocatalysts, with an emphasis on their role in promoting sustainable community development. Furthermore, various types of semiconductor materials used as photocatalysts are introduced. The report then investigates several factors that affect their performance, including environmental reaction conditions, pollutant type (pharmaceutical or dye), design of photocatalyst crystal structure, and construction of heterojunction between two semiconductors. Finally, the current challenges in scaling up photocatalytic technology for industrial applications under real solar light are discussed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Semiconductor photocatalyst
  • Sustainable Development
  • Industrial wastewater treatment
  • Dye and drug degradation
مراجع
  1. H Feng, J F Schyns, M S Krol, M Yang, H Su, Y Liu, Y Lv, X Zhang, K Yang, Y Che, Sci. Total Environ. 914 (2024) 169807.
  2. R Kamalesh, A Saravanan, Y P Ragini, A S Vickram, J. Water Process Eng. 69 (2025) 106883.
  3. R Ravi, A K Golder, Coord. Chem. Rev. 523 (2025) 216267.
  4. S Xue, D He, H Zhang, Y Zhang, Y Wang, Y Zeng, S Liu, N Chen, RSC Adv. 15 (2025) 1792.
  5. F Ullah, Z U H Khan, S Sabahat, M Aftab, J Sun, N S Shah, A Rahim, M M S Abdullah, M Imran, Chem. Eng. Sci. 302 (2025) 120844.
  6. T aus der Beek, F Weber, A Bergmann, S Hickmann, I Ebert, A Hein, A Küster, Environ. Toxicol. Chem. 35 (2016) 823.
  7. Z Lu, Y Ling, W Sun, C Liu, T Mao, X Ao, T Huang, Environ. Pollut. 308 (2022) 119673.
  8. I Lozano, C J Pérez-Guzmán, A Mora, J Mahlknecht, C L Aguilar, P Cervantes-Avilés, Sci. Total Environ. 827 (2022) 154348.
  9. A Kubiak, Sep. Purif. Technol. 355 (2025) 129735.
  10. J C Wang, H Ma, W Shi, W Zhang, J Wang, Y Hou, X Zheng, J Liu, J Zhao, J. Catal. 442 (2025) 115909.
  11. K Manoharan, S Kumar, A Verma, Y P Fu, K C N Raja, Appl. Surf. Sci. 682 (2025) 161654.
  12. A Z Moshfegh, J. Phys. D. Appl. Phys. 42 (2009) 233001.
  13. N Goodarzi, Z Ashrafi-Peyman, E Khani, A Z Moshfegh, Catalysts 13 (2023) 1102.
  14. Z H Jabbar, S E Ebrahim, Monit. Manag. 17 (2022) 100666.
  15. Y Wang, J A Torres, M Shviro, M Carmo, T He, C Ribeiro, Prog. Mater. Sci. 130 (2022) 100965.
  16. A K Yadav, R Kushwaha, A A Mandal, A Mandal, S Banerjee, J. Am. Chem. Soc. 147 (2025) 7161.
  17. A Bigham, A Zarepour, M Safarkhani, Y Huh, A Khosravi, N Rabiee, S Iravani, A Zarrabi, Nano Mater. Sci. 7 (2024) 1.
  18. C Michelin, N Hoffmann, Curr. Opin. Green Sustain. Chem. 10 (2018) 40.
  19. Y-H Lu, C Wu, J-C Hou, Z-L Wu, M-H Zhou, X-J Huang, W-M He, ACS Catal. 13 (2023) 13071.
  20. P Zhou, M Luo, S Guo, Nat. Rev. Chem. 6 (2022) 823.
  21. A A Zaky, E Christopoulos, K Gkini, M K Arfanis, L Sygellou, A Kaltzoglou, A Stergiou, N Tagmatarchis, N Balis, P Falaras, Appl. Catal. B Environ. 284 (2021) 119714.
  22. M Faraji, M Yousefi, S Yousefzadeh, M Zirak, N Naseri, T H Jeon, W Choi, A Z Moshfegh, Energy Environ. Sci. 12 (2019) 59.
  23. H Ren, P Koshy, W-F Chen, S Qi, C C Sorrell, J. Hazard. Mater. 325 (2017) 340.
  24. F Kolahdouzan, N Goodarzi, M Setayeshmehr, D S Mousavi, A Z Moshfegh, Chinese J. Catal. 70 (2025) 230.
  25. M S H F Afridha, S H Prakash, S M Roopan, J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 166 (2025) 105354.
  26. A Sherryna, M Tahir, W Nabgan, Int. J. Hydrogen Energy 47 (2021) 862.
  27. M Xiao, Z Wang, M Lyu, B Luo, S Wang, G Liu, H Cheng, L Wang, Adv. Mater. 31 (2019) 1801369.
  28. X Li, C Garlisi, Q Guan, S Anwer, K Al-Ali, G Palmisano, L Zheng, Mater. Today 47 (2021) 75.
  29. B Liu, H Wu, I P Parkin, ACS Omega 5 (2020) 14847.
  30. M Ateia, M G Alalm, D Awfa, M S Johnson, C Yoshimura, Sci. Total Environ. 698 (2020) 134197.
  31. C Nannou, K N Maroulas, C Tsamtzidou, K Ladomenou, G Z Kyzas, Sci. Total Environ. 966 (2025) 178765.
  32. A Naseri, G Asghari Sarabi, M Samadi, M Yousefi, M Ebrahimi, A Z Moshfegh, Res. Chem. Intermed.48 (2022) 1.
  33. H Wu, L Li, S Wang, N Zhu, Z Li, L Zhao, Y Wang, Phys. Chem. Chem. Phys. 25 (2023) 25899.
  34. K Begum, A Bhuyan, M Ahmaruzzaman, J. Mol. Struct. 1321 (2025) 140135.
  35. M Samadi, M Zirak, A Naseri, E Khorashadizade, A Z Moshfegh, Thin Solid Films 605 (2016) 2.
  36. A H Navidpour, S Abbasi, D Li, A Mojiri, J L Zhou, Catalysts 13 (2023) 232.
  37. A Naseri, M Samadi, A Pourjavadi, A Moshfegh, Iran. J. Phys. Res. 20 (2020) 273.
  38. M Elahian, N Ahmadi, A A Heidari, N Mengelizadeh, D Balarak, Results Eng. 25 (2025) 103824.
  39. A Naseri, M Samadi, A Pourjavadi, A Z Moshfegh, S Ramakrishna, J. Mater. Chem. A 5 (2017) 23406.
  40. W Liu, W Wang, J Xu, S Cao, Surfaces and Interfaces 58 (2025) 105846.
  41. B Gupta, A K Gupta, C S Tiwary, P S Ghosal, Environ. Res. 196 (2021) 110390.
  42. J Wang, M Dou, X Wang, B Gao, T Zhuang, Z Ma, Chemosphere 294 (2022) 133741.
  43. X Meng, Z Zhang, J. Mol. Catal. A Chem. 423 (2016) 533.
  44. G Xu, X Chen, Y Wu, Y Tang, S Liu, X Wen, J. Alloys Compd. 1022 (2025) 179914.
  45. Y Alaveh, M Samadi, Mater. Sci. Semicond. Process. 179 (2024) 108534.
  46. K Qin, Q Zhao, H Yu, X Xia, J Li, S He, L Wei, T An, Environ. Res. 199 (2021) 111360.
  47. N Abdollahi, A Ostovan, K Rahimi, M Zahedi, A Z Moshfegh, Inorg. Chem. 60 (2021) 17997.
  48. W Wang, C Shen, R Shao, Y Zhu, W Yu, X Wu, W Huang, K Li, Z  Xu, Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 714 (2025) 136568.
  49. C Zhang, Y Wu, D Li, H-L Jiang, Chem. Sci. 16 (2025) 13149.
  50. X Liu, S Chen, X Tantai, X Dai, S Shao, M Wu, P Sun, X Dong, Sep. Purif. Technol. 363 (2025) 132001.
  51. P Thankulkit, O Rojviroon, R Rajendran, M Alsawalha, P Arumugam, T Rojviroon, S Sirivithayapakorn, J. Water Process Eng. 69 (2025) 106650.
  52. T Sun, L Yang, Y Huang, Y Zhu, H Yang, L Bai, D Wei, K Yin, W Wang, H Chen, J. Alloys Compd. 1010 (2025) 177482.
  53. S Eslaminejad, R Rahimi, M Fayazi, J. Ind. Eng. Chem. 141 (2025) 94.
  54. D S Sipuka, T I Sebokolodi, K D Jayeola, M Bechelany, M Cretin, O A Arotiba, J. Water Process Eng. 69 (2025) 106771.
  55. S Pourali, R Amrollahi, S Alamolhoda, S M Masoudpanah, Sci. Rep. 15 (2025) 462.
  56. J Darabdhara, S Roy, M Ahmaruzzaman, Appl. Organomet. Chem. 39 (2025) 7833.
  57. C Deng, S Li, J Wang, Q Yang, H Chen, F Tang, X Yang, J. Mol. Liq. 417 (2025) 126618.
  58. Z Yin, T Liu, Z Zheng, Y Li, J Duan, Ceram. Int. 51 (2025) 3510.
  59. Z Zhang, J Ma, E H Dawolo, B Chen, N Ding, H Liu, Surfaces and Interfaces 58 (2025) 105791.
  60. A Naseri, M Samadi, A Z Moshfegh, UV-Visible Photocatal. Clean Energy Prod. Pollut. Remediat. Wiley‐VCH GmbH (2023) .
  61. Z H Jabbar, B H Graimed, J. Water Process Eng. 47 (2022) 102671.
  62. X Quan, F Guo, R Li, H Zhang, Z Shen, J Zhang, ACS Appl. Nano Mater. 7 (2024) 23228.
  63. Q Li, H Zhou, Z Li, A Liu, E Wang, Y Wu, X Tang, H Du, L Jin, H Zhu, J. Hazard. Mater. 486 (2025)137051.
  64. L Liu, M Chen, N Hu, Y Jiang, S Zeng, Y An, J. Colloid Interface Sci. 678 (2025) 494.
  65. M Kheirabadi, M Samadi, E Asadian, Y Zhou, C Dong, J. Zhang, A.Z. Moshfegh, J. Colloid Interface Sci. 537 (2019) 66.
  66. J Li, Z Lou, B Li, Engineering plasmonic semiconductors for enhanced photocatalysis, J. Mater. Chem. A 9 (2021) 18818.
  67. M Samadi, M Zirak, A Naseri, M Kheirabadi, M Ebrahimi, A Z Moshfegh, Res. Chem. Intermed. 45 (2019) 2197.
  68. J Ge, Y Zhang, Y-J Heo, S-J Park, Catalysts 9 (2019) 122.
  69. N Sun, X Si, L He, J Zhang, Y Sun, Int. J. Hydrogen Energy 58 (2024) 1249.
  70. K Pei, Surfaces and Interfaces 30 (2022) 101887.
  71. G Panthi, M Park, J. Energy Chem. 73 (2022) 160.
  72. J Wang, S Wang, Coord. Chem. Rev. 453 (2022) 214338.
  73. M Samadi, H A Shivaee, M Zanetti, A Pourjavadi, A Moshfegh, J. Mol. Catal. A Chem. 359 (2012) 42.
  74. D Li, C Wen, J Huang, J Zhong, P Chen, H Liu, Z Wang, Y Liu, W Lv, G Liu, Appl. Catal. B Environ. 307 (2022) 121099.
  75. L Hao, H Huang, Y Zhang, T Ma, Adv. Funct. Mater. 31 (2021) 2100919.
  76. Y Zhao, X Linghu, Y Shu, J Zhang, Z Chen, Y Wu, D Shan, B Wang, J. Environ. Chem. Eng. 10 (2022)108077.
  77. J Wen, J Xie, X Chen, X Li, Appl. Surf. Sci. 391 (2017) 72
  78. J Gao, J Shen, C Maouche, R N Ali, J Yang, Q Liu, J. Clean. Prod. 372 (2022) 133770.
  79. A Motamedisade, A Heydari, D J Osborn, A S Alotabi, G G Andersson, Appl. Surf. Sci. 655 (2024) 159475.
  80. S Wang, J Zhang, B Li, H Sun, S Wang, X Duan, J. Environ. Chem. Eng. 10 (2022) 107438.
  81. Y Zhou, C Zhang, D Huang, W Wang, Y Zhai, Q Liang, Y Yang, S Tian, H Luo, D Qin, Appl. Catal. B Environ. 301 (2022) 120749.
  82. J Fu, Q Xu, J Low, C Jiang, J Yu, Appl. Catal. B Environ. 243 (2019) 556.
  83. M-Z Qin, W-X Fu, H Guo, C-G Niu, D-W Huang, C Liang, Y-Y Yang, H-Y Liu, N Tang, Q-Q Fan, Adv. Colloid Interface Sci. 297 (2021) 102540.
  84. L Zhang, J Zhang, H Yu, J Yu, Adv. Mater. 34 (2022) 2107668.
  85. S Chauhan, R Bhar, K Ray, S Chowdhury, M M Ghangrekar, B K Dubey, Environ. Res. 271 (2025) 121100.
  86. Y Zheng, Y Sun, Z Yang, Y Liu, X Sun, L Li, W Cao, J Yang, Appl. Organomet. Chem. 39 (2025) 70041.
  87. C Zhou, M Zhou, K Lu, W Huang, C Yu, K Yang, J. Mater. Sci. Technol. 233 (2025) 166.

 

مجلۀ پژوهش فیزیک ایران
دوره 25، شماره 2 - شماره پیاپی 100
مهر 1404
صفحه 171-199
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار

ارتقاء امنیت وب با وف بومی