通过美洲马梅亚（Mammea americana）提取物绿色合成的ZnO纳米颗粒：表征及其多染料光催化降解性能

《Inorganic Chemistry Communications》：Green-synthesized ZnO nanoparticles via Mammea americana extract: Characterization and multidye photocatalytic degradation

本研究采用马梅果（Mammea americana）提取物作为还原剂和稳定剂，通过绿色合成法制备了不同浓度（1%、2%、4%）提取物合成的ZnO纳米颗粒（M1、M2、M4），并利用FT-IR、XRD、SEM/EDX、TEM-HRTEM和UV-Vis光谱等技术对其结构、形貌和光学性质进行表征。结果表明，纳米颗粒呈现六方纤锌矿结构，平均粒径随提取物浓度增加而减小（24.8 nm、18.1 nm、14.7 nm），带隙能量分别为3.03 eV、3.17 eV和2.86 eV。在紫外光照射下，所有样品对六种染料（甲基橙、 malachite green、甲基红、 rhodamine B、 methylene blue、 amido black 10B）的降解效率均超过95%，其中M4在180分钟内达到99%以上降解率。研究证实植物提取物法合成的ZnO纳米颗粒具有优异的光催化性能，为绿色水处理技术提供了新思路。

　　在这项研究中，科学家们成功地通过一种绿色方法利用*Mammea americana*（即玛米树）的提取物作为还原剂和稳定剂，合成了氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）。这项工作不仅体现了绿色化学在纳米材料合成中的应用潜力，也为解决水污染问题提供了一种新的思路。ZnO纳米颗粒因其独特的物理和化学性质，在水处理、环境修复等领域展现出广泛的应用前景。研究中，通过调整提取物的浓度（1%、2% 和 4%），得到了三种不同浓度的纳米颗粒，分别标记为M1、M2和M4，并对它们的物理、化学和光学特性进行了详细分析。

首先，研究团队采用了一系列先进的表征技术，包括傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDX）、透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM），以及紫外-可见吸收光谱（UV–Vis）。这些技术共同揭示了ZnO纳米颗粒的结构、形貌、化学组成及电子特性。FT-IR分析表明，提取物中的功能基团如羟基（OH）和碳氧键（C–O）在纳米颗粒的形成过程中起到了关键作用。XRD结果显示，所有合成的纳米颗粒均呈现出六方晶系的氧化锌（Zincite）结构，且晶粒尺寸在12.67至15.85纳米之间。这说明纳米颗粒具有良好的结晶性，且随着提取物浓度的增加，晶粒尺寸呈现出下降趋势。SEM和TEM图像进一步展示了纳米颗粒的形态，显示出近似球形的结构，并且粒子尺寸分布范围较小，表明该合成方法能够有效控制纳米颗粒的形貌和大小。

此外，研究还通过紫外-可见吸收光谱和Tauc图谱计算了ZnO纳米颗粒的带隙能量。结果显示，不同浓度的提取物合成的纳米颗粒带隙能量在2.86至3.17电子伏特之间，低于纯氧化锌的带隙能量（3.37 eV）。这种带隙能量的变化可能是由于提取物中的碳成分在纳米颗粒中引入了额外的电子态，或者由于纳米颗粒的尺寸效应导致了量子限制效应。这些发现为理解纳米颗粒的光电性能提供了重要的线索。

在催化性能方面，研究团队评估了ZnO纳米颗粒对六种工业染料的光催化降解能力，包括甲基橙（MO）、孔雀绿（MG）、甲基红（MR）、罗丹明B（RB）、亚甲基蓝（MB）和酰胺黑10B（AB10B）。实验结果显示，所有纳米颗粒在180分钟内均能实现超过95%的染料去除率，其中M1、M2和M4分别在180分钟内达到98%、99%和99%以上的降解效率。这一结果表明，通过*M. americana*提取物合成的ZnO纳米颗粒在光催化降解有机污染物方面具有显著的效率。这一性能的提升可能与纳米颗粒的高比表面积、良好的结晶性以及较低的带隙能量有关，这些特性有助于提高光催化反应的活性和效率。

从环境和工业角度来看，染料污染已成为全球水体污染的重要来源之一。染料广泛应用于纺织、食品、涂料等多个行业，但其使用过程中的排放对生态环境造成了严重影响。由于许多染料具有生物累积性，它们不仅会对水体造成污染，还可能对动植物以及人类健康产生潜在危害。因此，寻找一种高效、环保的水处理方法具有重要的现实意义。光催化降解技术因其高效性、低毒性和操作简便等优势，逐渐成为研究热点。ZnO纳米颗粒作为一种常见的半导体材料，因其宽的带隙、高反应活性和良好的光响应能力，被广泛用于光催化降解有机污染物的研究。

绿色合成方法在纳米材料制备中具有显著优势。相比传统的化学合成方法，绿色合成不仅减少了有毒试剂的使用，还降低了能耗和环境影响。此外，利用植物提取物作为还原剂和稳定剂，不仅提高了合成过程的可持续性，还赋予纳米材料更多的生物活性。这使得绿色合成的纳米材料在环境修复和生物医学领域具有广阔的应用前景。研究中使用的*M. americana*提取物含有丰富的生物活性成分，如酚类化合物、多糖、黄酮类物质等，这些成分在纳米颗粒的合成过程中发挥了重要作用，不仅促进了锌离子的还原，还对纳米颗粒的稳定性和表面性质产生了影响。

研究团队通过实验验证了*M. americana*提取物对ZnO纳米颗粒合成过程的显著影响。不同浓度的提取物导致纳米颗粒的尺寸、结晶度和带隙能量的变化，这些变化进一步影响了其光催化性能。例如，随着提取物浓度的增加，纳米颗粒的平均尺寸减小，这可能与更多的还原剂参与反应有关。同时，纳米颗粒的带隙能量也相应降低，这表明其对光子的响应能力增强，从而提高了光催化效率。此外，EDX分析显示，纳米颗粒中碳元素的含量随着提取物浓度的增加而上升，这可能与提取物中残留的有机成分有关。这些残留物不仅影响了纳米颗粒的化学组成，还可能对催化反应产生一定的辅助作用。

在实际应用方面，ZnO纳米颗粒的高光催化活性使其在废水处理中具有巨大潜力。特别是对于含有有机染料的废水，这种纳米材料能够高效地将污染物分解为无害的产物，从而降低对环境的污染。同时，研究还指出，这种纳米材料可能适用于其他类型的有机污染物降解，如药物残留、重金属离子等。此外，由于其合成过程在常温下进行，且无需特殊条件，这使得该方法在实际应用中更具可行性。

在催化机制方面，光催化反应通常涉及光激发下产生的电子-空穴对。当纳米颗粒受到紫外光照射时，电子从价带跃迁至导带，留下空穴在价带，形成具有高氧化能力的活性物种。这些活性物种能够与水分子反应，生成羟基自由基（•OH）等强氧化剂，进而对污染物进行降解。研究团队还通过使用不同的自由基捕获剂，如苯醌、丙醇和EDTA，进一步验证了不同活性物种在降解过程中的作用，为理解光催化反应机制提供了重要依据。

综上所述，这项研究不仅展示了*M. americana*提取物在合成ZnO纳米颗粒中的重要作用，还验证了这些纳米颗粒在光催化降解染料方面的高效性能。研究结果表明，通过调整提取物浓度，可以有效地调控纳米颗粒的物理和化学特性，从而优化其光催化性能。这一发现为未来开发新型绿色催化剂提供了理论依据和实验支持。此外，研究还强调了绿色合成方法在可持续发展中的重要性，特别是在减少环境污染和提高资源利用效率方面。随着对纳米材料研究的不断深入，其在环境修复、生物医学、能源转换等领域的应用前景将更加广阔。