Zn和Ni共掺杂MgO的制备、表征及其物理性质

《Journal of the Indian Chemical Society》：Preparation, characterisation, and physical properties of Zn, Ni codoped MgO

采用化学沉淀法和共沉淀法制备了MgO及Ni/Zn共掺杂MgO，通过XRD、FTIR、SEM-EDAX和VSM研究了其结构、光学、电学和磁学性能。结果显示掺杂导致晶格压缩应变，Scherrer和Williamson-Hall方法计算的晶粒尺寸和位错密度呈现不同趋势，带隙由Kubelka-Munk和Tauc图分析呈现相反变化，抗菌活性对大肠杆菌影响较小而对金黄色葡萄球菌呈现不规则变化。

　　本文探讨了镁氧化物在不同掺杂条件下的结构、光学、电学及磁学特性。研究通过化学沉淀法合成未掺杂的镁氧化物，并采用化学共沉淀法制备了镍和锌共掺杂的镁氧化物。在合成过程中，保持了镁盐和镍盐的浓度不变，而锌盐的浓度则被调整。研究目的是评估掺杂对镁氧化物性能的影响，并将其与之前的研究结果进行对比，以进一步了解其在不同掺杂条件下的行为。

镁氧化物作为一种重要的金属氧化物，在自然界中广泛存在，是地壳中最常见的金属氧化物之一。它具有良好的生物相容性、化学惰性和非毒性特性，同时具备较大的电导率和光学透明度，以及较低的热导率。这些特性使其在多个领域中具有广泛的应用潜力，例如电子、光学、抗菌和催化等方面。此外，镁氧化物在未掺杂状态下是反磁性的，但在掺杂过渡金属后，可以表现出室温下的铁磁行为。这一特性对于开发新型磁性材料具有重要意义。

在本文的研究中，采用化学共沉淀法来制备镍和锌共掺杂的镁氧化物。这种方法能够有效地合成掺杂材料，并且在制备过程中对材料的结构和组成进行精确控制。研究过程中，通过一系列分析手段，包括粉末X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、能量色散X射线分析（EDAX）和扫描电子显微镜（SEM）等，对样品的结构、光学、电学及磁学特性进行了详细研究。XRD分析结果表明，镍和锌共掺杂对镁氧化物的晶体结构产生了一定的影响，导致晶格出现压缩应变。此外，研究还通过Scherrer方程和Williamson-Hall方法计算了晶粒尺寸，并发现虽然Scherrer方程的结果存在不规则的变化，但总体上呈现出下降的趋势，而Williamson-Hall方法的结果则表现出较为规律的下降趋势。

通过Williamson-Hall方法计算的晶格应变和位错密度结果显示，随着镍和锌的共掺杂，晶格应变逐渐增加，而位错密度则表现出不规则的增加趋势。尽管掺杂对晶格应变和位错密度的影响有所变化，但总体上并未显著改变镁氧化物晶面之间的间距。这表明镍和锌的共掺杂在某种程度上对材料的结构稳定性产生了影响，但并未导致晶格结构的剧烈变化。

在光学特性方面，研究通过Kubelka-Munk图和Tauc图评估了样品的带隙。结果显示，Kubelka-Munk图表现出不规则的下降趋势，而Tauc图则呈现出不规则的上升趋势。这表明，镍和锌的共掺杂对镁氧化物的带隙产生了不同的影响，可能与材料的电子结构变化有关。此外，研究还通过振动样品磁强计（VSM）测定了样品的室温饱和磁化值，发现镍和锌的共掺杂对磁性行为产生了显著影响。

在电学特性方面，研究考察了样品的电流-电压特性，发现掺杂对电导率的影响可能与材料的导电机制有关。在抗菌性能方面，研究采用平板扩散法评估了样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。结果显示，镍和锌的共掺杂对大肠杆菌的抗菌活性影响较小，但对金黄色葡萄球菌的抗菌活性表现出不规则的变化趋势。这可能与不同细菌的生长特性和对材料的敏感性有关。

通过与之前研究的对比，研究发现不同掺杂条件下的样品在磁性和光学特性方面存在显著差异。之前的研究中，保持了镁盐和锌盐的浓度不变，而镍盐的浓度被调整。与当前研究相比，这种变化导致了材料在磁性和光学特性上的不同表现。这些发现表明，材料的性能可以通过改变掺杂条件进行调控，从而满足不同的应用需求。

此外，研究还探讨了镁氧化物在不同形态下的特性，例如纳米颗粒、纳米带、纳米线、纳米管、微纤维、薄膜和微片等。这些形态的制备通常采用不同的方法，如溶胶-凝胶法、固态法、水热法和化学沉淀法等。不同的制备方法对材料的性能产生不同的影响，因此在研究中需要综合考虑各种因素，以确保获得最佳的材料性能。

研究结果表明，镍和锌的共掺杂对镁氧化物的性能产生了显著影响，尤其是在磁性和光学特性方面。这些影响可能与材料的电子结构、晶格应变和位错密度的变化有关。此外，材料的抗菌活性和电学特性也表现出一定的变化趋势，这表明掺杂可以用于调控材料的多种性能。

综上所述，本文通过系统的研究，揭示了镍和锌共掺杂对镁氧化物性能的影响。研究结果不仅为理解材料的结构和性能变化提供了理论依据，也为开发新型功能材料提供了实验基础。这些发现对于进一步探索镁氧化物在不同应用领域的潜力具有重要意义。