低成本生物辅助合成超细铜钼酸(α-CuMoO4)纳米颗粒：光学特性与光催化应用探索

本研究针对工业染料废水处理难题，采用Simarouba glauca叶粉为绿色燃料，通过溶液燃烧法合成可见光响应的CuMoO4纳米颗粒。该材料具备2.23 eV窄带隙、高结晶度及介孔结构，对Evans Blue染料降解率达85%，并兼具潜指纹识别功能，为环境修复与法医应用提供新型多功能材料。

　　

工业染料废水对水生态系统的污染已成为全球性环境挑战。合成染料因其化学稳定性强、难生物降解且具有潜在致癌性，对水生生物和人类健康构成严重威胁。传统处理方法效率有限，开发高效、低成本且环境友好的降解技术迫在眉睫。光催化技术利用半导体材料在光照下产生活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）降解污染物，被认为是最有前景的解决方案之一。铜钼酸铜（Copper Molybdate, CuMoO₄）因其窄带隙特性（约2.2–2.3 eV）可有效利用可见光，且具备优异的电荷分离能力，在光催化领域展现出巨大潜力。然而，传统合成方法往往涉及有毒试剂、高温高压条件或复杂工艺，不利于大规模应用。绿色合成路线通过植物提取物作为燃料和还原剂，不仅减少环境污染，还降低生产成本，符合可持续发展理念。本研究首次利用Simarouba glauca（天堂树）叶粉为生物燃料，通过溶液燃烧法成功制备了相纯、高结晶度的α-CuMoO₄纳米颗粒，并系统探索其光学特性、光催化性能及在潜指纹识别中的应用，为多功能纳米材料的设计提供了新思路。该研究发表于《Results in Chemistry》，为环境修复和 forensic applications 提供了创新性解决方案。

研究采用的关键技术方法包括：以Simarouba glauca叶粉为绿色燃料，通过溶液燃烧法合成CuMoO₄纳米颗粒；利用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，X射线光电子能谱（XPS）验证元素价态和化学计量比；通过紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）和光致发光（PL）光谱研究光学特性与电荷重组行为；扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察形貌与结构；比表面积及孔隙度分析（BET）测定介孔特性；以Evans Blue染料为模型污染物，在可见光照射下评估光催化性能，并通过自由基捕获实验鉴定主要活性物种；此外，利用粉末撒布法测试材料在潜指纹显影中的应用效果。

3.1. XRD分析

XRD图谱显示，当前驱体与燃料比例为1:0.5时，成功合成出单斜晶系的α-CuMoO₄纳米颗粒，空间群为I2/m(12)，晶格参数与标准卡片（JCPDS no. 01–090-7768）吻合，无杂峰表明相纯度高。而更高燃料比例（1:1和1:1.5）则生成富铜相Cu₃(MoO₄)₂O并引入杂质。Scherrer方程计算表明，1:0.5样品结晶尺寸约为32 nm，结晶度最高。

3.2. FT-IR研究

FT-IR光谱在393和505 cm^?1处观察到Cu–O键振动模式，770和802 cm^?1为Mo–O对称伸缩振动，936、955和1118 cm^?1则对应Mo–O不对称伸缩振动，未检测到水分子特征峰，证实材料纯净。

3.3. UV-DRS分析

UV-DRS结合Kubelka-Munk函数计算表明，CuMoO₄（1:0.5）、（1:1）和（1:1.5）的带隙分别为2.23 eV、2.43 eV和2.61 eV。窄带隙（2.23 eV）使CuMoO₄（1:0.5）能有效利用可见光，激发价带电子跃迁至导带，促进光催化反应。

3.4. 光致发光研究

PL光谱显示，CuMoO₄（1:0.5）在275 nm激发下于505 nm处发射，且峰强度较低，表明电子-空穴对复合率低，有利于光生电荷参与表面氧化还原反应，与UV-DRS结果一致，进一步支持其优异的光催化性能。

3.5. SEM和EDAX研究

SEM图像显示纳米颗粒呈不规则方形且尺寸分布不均，存在团聚现象。EDAX谱证实样品均匀包含Cu、Mo和O元素，原子比接近1:1:4，与CuMoO₄化学计量比一致，成功合成目标材料。

3.6. BET分析

氮气吸附-脱附等温线呈现IV型滞后回线，证实材料为介孔结构。BET比表面积为16.293 m²/g，孔体积0.1221 cc/g，平均孔径9.96 nm。高比表面积和介孔特性为染料吸附和光催化反应提供了丰富活性位点。

3.7. TEM分析

TEM图像清晰展示纳米颗粒形貌，HR-TEM显示0.21 nm晶格条纹，对应单斜CuMoO₄的（002）晶面。SAED图谱中6.50和18.14的1/2r值分别对应（201）和（0 3 4）晶面，印证高结晶度。粒径分布直方图显示平均尺寸为38.63 nm，与XRD结果接近。

3.8. XPS分析

XPS全谱证实材料含Cu、Mo、O和微量吸附碳。Cu 2p谱中934.8 eV（Cu 2p_3/2）和954.6 eV（Cu 2p_1/2）结合能及卫星峰表明Cu²⁺存在；Mo 3d谱中232.7 eV（Mo 3d_5/2）和235.8 eV（Mo 3d_3/2）确认Mo⁶⁺；O 1s谱中530.8 eV归属晶格氧（O^2?），532.1 eV为表面羟基和吸附氧，有利于ROS生成。定量分析得Cu:Mo:O ≈ 1:1:4，符合化学计量。

1. 4.
   光催化活性研究
   以Evans Blue（EB）染料为模型污染物，在可见光下评估光催化性能。无催化剂时染料无降解，加入CuMoO₄后降解显著。优化条件为催化剂剂量30 mg/100 mL、染料浓度5 ppm、pH 7，此时降解率达85.2%。动力学分析符合准一级模型，速率常数k=0.00594 min^?1，高于其他染料（AR、NR、RhB、RB）。自由基捕获实验表明，加入异丙醇（•OH捕获剂）和抗坏血酸（O₂•^?捕获剂）后降解率大幅下降，确认•OH和O₂•^?为主要活性物种。此外，利用香豆素荧光探针检测到•OH随时间线性增加，直接证实其生成。循环实验显示，4次重复使用后催化活性仅下降6%，表明材料具有良好的稳定性和可重用性。
2. 5.
   潜指纹应用
   CuMoO₄纳米颗粒凭借其光致发光特性与指纹残留物（氨基酸、脂肪酸等）通过静电作用、范德华力和氢键紧密结合，在紫外光下发射绿蓝色荧光，显影出高对比度、清晰的指纹脊线细节。试验在CD、手机屏幕等多种表面成功实现Level 1（脊线流向）、Level 2（分歧、终点等 minutiae）和Level 3（汗孔分布）的指纹特征识别，为 forensic applications 提供了可靠工具。
3. 6.
   结论与意义
   本研究通过绿色燃烧法成功合成了相纯、窄带隙、介孔结构的α-CuMoO₄纳米颗粒，在可见光下对Evans Blue染料展现出高效降解能力（85.2%），主要依靠•OH和O₂•^?自由基的氧化作用。材料同时具备优异的潜指纹显影能力，实现了环境修复与 forensic applications 的双重功能。该合成策略成本低、环境友好、易于放大，为设计多功能纳米催化剂提供了新途径，在工业废水处理和法医科学领域具有广阔应用前景。