ZnO/CuSb2O6异质结光催化剂高效合成1H-吡唑并[1,2-b]酞嗪-5,10-二酮及其在伤口敷料水凝胶中的应用研究

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：ZnO/CuSb 2O 6 as a novel photocatalyst with enhanced performance in the synthesis of 1H-pyrazolo[1, 2-b]phthalazine-5, 10-diones as important mediators in designing wound dressing hydrogels

本研究针对传统合成方法效率低、条件苛刻等问题，开发了新型ZnO/CuSb2O6异质结光催化剂。通过多组分反应在温和条件下高效合成了具有抗菌抗炎活性的1H-吡唑并[1,2-b]酞嗪-5,10-二酮类化合物，为功能性伤口敷料水凝胶的设计提供了重要中间体。该催化剂表现出优异的可见光响应性和循环稳定性，为绿色药物合成提供了新策略。

　　

在生物医学材料领域，开发具有抗菌抗炎功能的伤口敷料一直是研究热点。1H-吡唑并[1,2-b]酞嗪-5,10-二酮类化合物作为重要的氮杂环化合物，因其显著的抗菌和抗炎活性而受到广泛关注。这类化合物能够有效预防伤口感染、减轻炎症反应，促进伤口愈合过程。然而，传统合成方法往往存在反应条件苛刻、能耗高、污染大等问题，限制了其在医用材料领域的规模化应用。

针对这一挑战，德州大学的研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》上发表了一项创新性研究，开发了一种新型ZnO/CuSb₂O₆异质结光催化剂，为绿色高效合成这类药用化合物提供了新方案。该研究巧妙地将光催化技术应用于药物合成领域，实现了在温和条件下快速构建具有生物活性的杂环化合物。

研究人员采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、热重分析(TGA)、透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线光谱(EDS)等技术对催化剂进行了系统表征。通过电化学阻抗谱(EIS)和莫特-肖特基(Mott-Schottky)分析揭示了催化剂的电荷传输特性。

3.1. ZnO/CuSb₂O₆的表征

FE-SEM和TEM分析显示催化剂呈现球形和半六边形混合形貌，粒径分布在20-35纳米范围内。XRD证实了ZnO的纤锌矿结构和CuSb₂O₆的成功复合。UV-Vis光谱显示异质结的带隙能量为2.81电子伏特(eV)，较单一ZnO(3.38 eV)明显减小，表明其可见光吸收能力显著增强。XPS分析进一步验证了Zn、Cu、Sb、O元素的存在及其化学状态。

3.2. 电化学研究

EIS测试表明ZnO/CuSb₂O₆具有较小的电荷转移电阻，有利于光生载流子的分离和传输。莫特-肖特基分析确认ZnO为n型半导体，CuSb₂O₆为p型半导体，两者形成的p-n异质结有效促进了电子-空穴对的分离。

3.3. 催化性能测试

在优化条件下（10毫克催化剂，50°C，15分钟，乙醇溶剂），该催化体系能够高效促进芳香醛、邻苯二甲酰肼和丙二腈的三组分缩合反应，获得高达94%的产率。催化剂表现出良好的循环稳定性，经过5次重复使用后仍保持较高活性。通过自由基捕获实验证实，羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O₂^-)是光催化过程中的主要活性物种。

研究还系统探讨了取代基效应对反应的影响，发现无论是给电子基还是吸电子基取代的芳香醛都能顺利参与反应，其中对位取代的底物因空间位阻较小而表现更佳。

该研究的创新之处在于成功构建了具有Z型异质结结构的ZnO/CuSb₂O₆光催化剂，实现了在可见光照射下高效合成具有生物活性的杂环化合物。与传统方法相比，该策略具有条件温和、能耗低、环境友好等优势，为功能性伤口敷料水凝胶的关键中间体合成提供了绿色高效的解决方案。

特别值得关注的是，ZnO和CuO纳米粒子本身在伤口敷料水凝胶中已显示出良好的抗菌性和生物相容性，能够促进细胞增殖和胶原沉积，加速慢性或手术伤口的愈合过程。因此，本研究不仅开发了一种新的合成方法，更为设计多功能伤口敷料材料奠定了坚实基础。

这项研究为光催化技术在药物合成和生物材料领域的应用开辟了新途径，展示出良好的产业化前景。未来可进一步探索该类催化剂在其他生物活性分子合成中的应用潜力，以及其在复合医用材料中的实际性能，推动光催化技术向临床医学应用的转化。