无溶剂合成CeO2-ZnO纳米复合材料实现自然光驱动β-萘酚高效降解与抗菌应用

本研究针对工业废水中难降解有毒污染物β-萘酚的治理难题，开发了一种无溶剂热机械法制备CeO2-ZnO纳米复合材料（CZ NCs）的新策略。研究表明5 wt% CZ NCs在自然光照下20分钟内可实现91%的β-萘酚降解，并显著增强对金黄色葡萄球菌的抗菌活性，为可持续环境修复提供了新型多功能纳米材料。

　　

随着现代工业的快速发展和人口扩张，清洁饮用水资源短缺、水传播疾病蔓延以及能源供应不足等问题日益严峻。工业废水中广泛存在的酚类化合物，特别是多环芳烃（PAHs）衍生物β-萘酚，因其具有致癌性和致突变性，被欧盟和美国环境保护署（EPA）列为优先控制污染物。这种广泛用于染料和制药工业的有毒物质，在自然环境中难以生物降解，对生态系统和人类健康构成长期威胁。

传统的水处理技术如挥发、吸附、生物降解和电化学降解等方法虽然有效，但存在操作成本高、矿化不完全、产生二次污染等局限性。相比之下，光催化技术以其反应条件温和、环境友好、能源效率高等优势，成为处理持久性有机污染物的理想选择。然而，常规光催化剂如氧化锌（ZnO）纳米颗粒存在光响应范围窄、载流子复合速率快等固有缺陷，且仅能利用太阳光谱中约4%的紫外光成分，严重限制了其实际应用效能。

为了解决这些挑战，研究团队开发了一种简单、经济、无溶剂的热机械合成方法，制备了铈掺杂氧化锌纳米复合材料（CeO₂-ZnO Nanocomposites, CZ NCs）。这种方法避免了有毒溶剂的使用，符合绿色化学原则，为大规模生产高性能纳米材料提供了可持续的途径。

研究人员通过X射线衍射（XRD）分析了材料的晶体结构，发现随着Ce(IV)离子浓度的增加，晶体尺寸逐渐减小。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察显示，Ce(IV)离子的引入使ZnO纳米颗粒形成了立方体结构。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）证实了材料的多晶性，而漫反射光谱（DRS）分析表明5 wt% CZ NCs的带隙从3.15 eV缩小到3.04 eV。比表面积分析显示，ZnO NPs的比表面积为30.86 m2/g，而5 wt% CZ NCs增加到48.91 m2/g，这为污染物吸附和光催化反应提供了更多的活性位点。

在光催化性能测试中，5 wt% CZ NCs在自然 sunlight 照射下表现出卓越的性能，仅需20分钟就能降解91%的β-萘酚溶液（浓度0.8 mg/mL）。通过清除剂实验证实，羟基自由基（·OH）是污染物降解的主要贡献者。重复使用性评估表明，CZ NCs在连续三个循环中保持稳定的催化性能。

抗菌性能研究通过纸片扩散法（disc diffusion assay）进行，以金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）MTCC 737为模型菌株。结果显示，5 wt% CZ NCs相比ZnO NPs表现出增强的抗菌效果，抑制圈直径达到21.0±0.05 mm，表明该材料在环境修复和生物医学应用方面具有双重功能。

3.1. 结构与形态表征

通过XRD、FE-SEM、HRTEM等技术手段，研究人员系统分析了ZnO NPs和不同铈掺杂浓度CZ NCs的微观结构和形貌特征。XRD图谱显示，随着铈掺杂量的增加，主要衍射峰强度降低并向低角度移动，表明铈的引入影响了ZnO的结晶质量和晶格参数。元素分布图像和能量色散X射线光谱证实了锌、氧和铈元素在复合材料中的均匀分布。

3.2. 光催化降解研究

3.2.1. Ce(IV)离子浓度的影响

光催化实验表明，铈掺杂显著提高了材料的光催化性能。5 wt% CZ NCs表现出最高的降解效率，达到91%，明显优于未掺杂的ZnO NPs（75%）和其他掺杂浓度的样品。

3.2.2. 光催化剂用量的影响

催化剂用量研究表明，当CZ NCs浓度从0.4 mg/mL增加到0.8 mg/mL时，光降解效率从82%提高到91%。但进一步增加至1.0 mg/mL时，效率反而下降至80%，这归因于颗粒聚集导致的透光率下降和活性位点减少。

3.2.3. 降解动力学分析

β-萘酚的光降解过程符合伪一级动力学模型，5 wt% CZ NCs的表现速率常数最高，为0.1204 min?1，表明其具有最快的降解速率。

3.2.4. 活性氧物种清除研究

通过使用组氨酸和抗坏血酸作为清除剂，研究人员确定了羟基自由基在降解过程中的主导作用。添加3 mg组氨酸后，降解效率从91%显著降低至68.58%，证实了·OH的关键作用。

3.2.5. 可重复使用性和稳定性

经过三个连续使用循环，CZ NCs仅表现出约2%的效率下降，显示了良好的稳定性和可重复使用性，这对于实际应用具有重要意义。

3.3. 尺寸和形态参数对抗菌活性的影响

抗菌实验表明，CZ NCs对金黄色葡萄球菌具有显著的抑制作用，且效果随着铈含量的增加而增强。5 wt% CZ NCs表现出最强的抗菌活性，这归因于其较小的晶体尺寸、增加的比表面积以及增强的ROS生成能力。

该研究成功开发了一种无溶剂、可持续的合成方法，制备了具有优异光催化性能和抗菌活性的CeO₂-ZnO纳米复合材料。5 wt% CZ NCs在自然 sunlight 照射下20分钟内能降解91%的β-萘酚，并显著抑制金黄色葡萄球菌的生长。材料的高效性能归因于铈掺杂带来的带隙缩小、比表面积增加、电荷分离效率提高以及ROS生成能力增强。这项研究不仅为有机污染物治理提供了高效解决方案，还为开发多功能纳米材料用于环境和生物医学应用提供了新思路，具有重要的科学意义和实际应用价值。