通过简单的植物方法制备镁连接的ZrO2纳米复合材料，以有效净化受污染的水体

《Journal of Industrial Information Integration》：Facile Phyto fabrication of Mg interconnected ZrO 2 nanocomposites for effective decontamination of infected water bodies

本研究利用Eucalyptus叶提取物绿色合成Mg掺杂ZrO2纳米复合材料，通过XRD、SEM等表征发现掺杂浓度影响结晶相（ monoclinic ZrO2和cubic MgO）和颗粒尺寸（32.27 nm→11.8 nm），光催化性能显示在RhB和BB染料降解中效率达95.43%和97.08%，且具有良好循环稳定性和抗菌活性（抑菌圈直径18.3-19.2 mm），为水处理提供可持续方案。

　　本研究探讨了一种绿色合成方法，利用桉树叶提取物制备原始和镁掺杂的二氧化锆（ZrO?）纳米复合材料。这种合成方法不仅环保，而且在成本和可扩展性方面具有显著优势。通过调节掺杂浓度（1%、3%和5%），研究人员成功制备了不同组成的纳米复合材料，并对其结构、光学和功能特性进行了详细表征。研究结果表明，镁掺杂能够有效改变二氧化锆的晶体结构，提高其在可见光下的光催化性能，并增强其抗菌能力。这种材料在水处理和抗菌应用方面展现出广阔前景，特别是在去除有机染料和控制微生物污染方面。

在当前全球范围内，水污染已成为一个严重的问题，影响着生态系统、公共健康以及可持续发展。工业排放、农业径流和生活污水的增加，使得传统水处理技术面临诸多挑战。例如，常规的处理方法如混凝沉淀、过滤、氯化和反渗透等，在去除持久性染料和新兴病原体方面效果有限，且可能带来高能耗或二次污染的风险。因此，研究者们正在寻求更高效、更环保的解决方案，而纳米技术被认为是实现这一目标的重要途径。金属氧化物纳米结构材料，尤其是二氧化锆纳米颗粒，因其独特的物理化学性质，在水处理领域受到了广泛关注。

二氧化锆纳米颗粒以其出色的热稳定性、机械强度和催化性能而闻名。这些特性使其在去除多种水中有害物质方面表现出色，包括重金属、有机污染物和病原体。然而，纳米复合材料的合成方法对其性能和环境影响至关重要。传统的化学合成方法通常涉及有毒试剂和高能耗过程，这不仅增加了材料的生产成本，还对环境造成潜在危害。相比之下，绿色合成方法利用天然、无害的还原剂，如植物提取物，来制备纳米材料。这种方法不仅减少了对有害化学品的依赖，还降低了合成过程中的环境负担。

植物提取物在绿色合成中具有显著优势，因为它们富含多种生物活性化合物，如生物碱、黄酮类和多酚类物质。这些化合物不仅可以作为还原剂，还可以作为稳定剂，帮助控制纳米颗粒的生长形态和尺寸分布。近年来，桉树（Eucalyptus globulus）提取物被广泛用于制备多种纳米材料，包括二氧化锆、氧化镁、二氧化钛、氧化锌和氧化铜等。这些材料在光催化和抗菌方面均表现出良好的性能，进一步证明了植物提取物在绿色合成中的应用潜力。此外，桉树叶的广泛可得性使得该方法在大规模应用方面更具可行性。

在本研究中，选择桉树叶提取物作为绿色合成的来源，主要是因为其能够提供丰富的生物活性成分，有助于实现二氧化锆纳米颗粒的可控合成。同时，桉树叶的天然属性也使得整个合成过程更加环保，符合可持续发展的理念。通过将镁元素掺杂到二氧化锆中，研究人员旨在优化其光催化性能和抗菌能力。镁掺杂不仅能够引入晶格缺陷，如氧空位，还能够调整材料的能带结构，使其更有效地吸收可见光，从而提高光催化效率。

光催化降解有机染料的过程通常涉及光生电子-空穴对的产生、分离和迁移。这些载流子在材料表面与污染物发生反应，生成具有强氧化性的活性物质，如羟基自由基（·OH）和过氧化物阴离子（O??·），从而实现污染物的降解。然而，电子和空穴的快速复合是限制光催化效率的主要因素之一。镁掺杂通过引入氧空位和晶格缺陷，可以有效抑制电子-空穴的复合，延长其寿命，从而提高光催化反应的效率。此外，镁掺杂还能够调节二氧化锆的能带结构，使其在可见光区域的吸收能力增强，从而拓宽光催化反应的适用范围。

本研究中的二氧化锆纳米复合材料在光催化降解两种具有相反电荷的模型染料——阳离子的罗丹明B（RhB）和阴离子的亮蓝（BB）方面表现出优异的性能。在100分钟的太阳光照射下，镁掺杂浓度为3%的样品（ZM3）对RhB的降解率达到95.43%，对BB的降解率达到97.08%。这些结果表明，镁掺杂显著提升了材料的光催化活性。此外，ZM3在五次连续循环后仍能保持90.3%和92.1%的降解效率，显示出良好的循环稳定性和可重复使用性。这种优异的性能使其在实际水处理应用中具有更大的潜力。

在抗菌性能方面，ZM3样品对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）均表现出较高的抑制效果。在100 μg/mL的浓度下，ZM3对S. aureus的抑菌圈达到19.2 mm，对E. coli的抑菌圈达到18.3 mm。这表明，镁掺杂不仅提升了材料的光催化性能，还增强了其抗菌能力。这种双重功能使得ZM3成为一种理想的多功能材料，适用于水处理和抗菌应用。抗菌效果的增强可能与镁掺杂引起的氧空位和缺陷态有关，这些缺陷可以促进活性氧（ROS）的生成，从而有效破坏细菌细胞结构，抑制其生长。

二氧化锆纳米颗粒的光催化性能与其晶体结构密切相关。X射线衍射（XRD）分析表明，所制备的ZrO?纳米复合材料具有单斜相和立方相的晶体结构。随着镁掺杂浓度的增加，晶体尺寸显著减小，从原始材料的32.27 nm降低到ZM3样品的11.8 nm。这种尺寸变化不仅影响了材料的比表面积，还可能增强了其表面活性，从而提高了光催化效率。此外，XRD分析还证实了镁元素成功掺杂到二氧化锆晶格中，形成了氧空位和晶格畸变，这些结构变化进一步优化了材料的光催化性能。

场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析显示，所制备的纳米复合材料具有均匀分布的准球形颗粒，表面光滑。然而，随着镁掺杂浓度的增加，颗粒逐渐变长，呈现出不同的形貌特征。这种形貌变化可能与晶格畸变和结构重组有关，表明镁掺杂对材料的微观结构产生了显著影响。扫描电镜结果还显示，不同掺杂浓度的样品在颗粒形态和分布上存在差异，这进一步验证了镁掺杂对材料性能的调控作用。

傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和能量色散X射线光谱（EDX）分析结果表明，所制备的纳米复合材料中存在Zr、Mg和O元素。这不仅验证了镁元素的成功掺杂，还表明材料中存在特定的化学键合方式，如Mg-O键。这些化学键的形成有助于提高材料的稳定性和功能性，使其在光催化和抗菌应用中表现出优异的性能。FT-IR分析还显示，镁掺杂导致了材料在可见光区域的吸收峰发生红移，这表明其能带结构得到了调整，从而提高了对可见光的利用率。

紫外-可见光谱（UV-Vis）分析进一步证实了镁掺杂对材料光学性能的影响。随着镁掺杂浓度的增加，二氧化锆的带隙逐渐减小，从原始材料的2.8 eV降低到ZM3样品的更低值。这种带隙的变化使得材料能够更有效地吸收可见光，从而提高了光催化反应的效率。此外，UV-Vis光谱还显示，镁掺杂样品在可见光区域的吸收能力增强，表明其对太阳光的利用率更高，这在实际水处理应用中具有重要意义。

本研究的创新之处在于利用桉树叶提取物实现镁掺杂二氧化锆纳米复合材料的绿色合成，并系统地研究了其结构、光学和功能特性之间的关系。通过调节掺杂浓度，研究人员成功制备了具有不同性能的样品，并验证了其在光催化降解和抗菌方面的应用潜力。这种绿色合成方法不仅减少了对有毒试剂的依赖，还提高了材料的可重复使用性和环境友好性，为未来水处理技术的发展提供了新的思路。

在实际应用中，镁掺杂二氧化锆纳米复合材料的优势在于其良好的光催化性能和抗菌能力。这些特性使其能够有效去除水中的有机污染物和病原体，从而改善水质。此外，该材料在五次连续循环后仍能保持较高的降解效率，表明其具有良好的稳定性和重复使用性。这种性能对于大规模水处理应用尤为重要，因为它能够减少材料的更换频率，降低处理成本。

同时，镁掺杂二氧化锆纳米复合材料的抗菌性能对于水处理系统的优化也具有重要意义。抗菌作用能够有效减少细菌在催化剂表面的附着，从而降低生物膜的形成，提高系统的运行效率。此外，抗菌功能还能够减少对传统消毒剂的依赖，降低二次污染的风险。这种双重功能使得该材料在水处理和抗菌应用中具有更高的实用价值。

综上所述，本研究通过绿色合成方法成功制备了镁掺杂二氧化锆纳米复合材料，并系统地分析了其结构、光学和功能特性。结果表明，镁掺杂能够有效提升材料的光催化性能和抗菌能力，使其成为一种具有广泛应用前景的多功能材料。该研究不仅为水处理技术提供了新的解决方案，也为绿色纳米材料的开发和应用提供了重要的理论依据和实验支持。未来，研究人员可以进一步探索该材料在其他污染物降解和抗菌应用中的性能，以拓展其应用范围，提高其在实际环境中的适用性。