使用葫芦提取物（Cucurbita moschata extract）合成的ZnTiO?/Sm?CuO?异质结：一种无需碱和封端剂的方法，以及颗粒大小对光催化活性的影响

《Materials Science and Engineering: B》：ZnTiO?/Sm?CuO? heterojunctions synthesized using Cucurbita moschata extract: a base and capping agent free approach and the role of particle size in photocatalytic activity

ZnTiO3和Sm2CuO4纳米材料及其复合物通过南瓜叶提取物绿色合成，FTIR和XRD确认其晶型结构，纳米复合物带隙2.77 eV介于两者之间，光催化降解甲基绿效率达94.47%，循环性良好，zeta电位-13.30 mV增强稳定性。

　　这项研究聚焦于利用一种绿色的方法合成ZnTiO?、Sm?CuO?以及它们的纳米复合材料。研究人员采用了南瓜叶提取物（*Cucurbita moschata* (Duchesne)）作为天然的基础和稳定剂，这不仅符合环保理念，还提高了材料的性能。通过一系列分析手段，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）等，验证了材料的结构和特性，并进一步评估了其在降解有机污染物方面的效率。研究结果表明，这种纳米复合材料在可见光照射下表现出优异的光催化性能，能够高效地去除有机染料污染物——孔雀石绿。

在现代科学和工业中，纳米技术因其在纳米尺度上对材料的操控能力而受到广泛关注。纳米材料具有独特的物理和化学性质，这些特性在传统材料中往往难以实现。例如，纳米材料的比表面积大，表面活性强，能够更有效地参与化学反应，从而在多个领域展现出广泛的应用前景，包括环境修复、能源开发、医学研究等。特别是在环境治理方面，纳米材料因其高催化活性和良好的稳定性，被用于降解有机污染物，例如水中的染料和其他有害物质。

在众多纳米材料中，金属氧化物纳米颗粒因其出色的光催化性能而备受关注。它们的高比表面积、优异的电荷迁移能力和稳定的化学结构使其在光催化反应中表现突出。金属氧化物纳米颗粒对光和电场等外部刺激具有良好的响应能力，这使得它们在环境净化领域具有显著的优势。此外，它们的生物相容性和耐久性也使其在生物医学领域得到应用，例如用于抗菌、生物传感器、癌症诊断和医学成像等。

ZnTiO?作为一种具有钙钛矿结构的金属氧化物，因其良好的化学稳定性和较宽的能带宽度（约3到4电子伏特）而受到特别关注。它在紫外和可见光照射下表现出优异的光催化性能，能够有效降解有机污染物。ZnTiO?的一个重要特性是其能够减少电子-空穴对的复合，从而提高光催化效率。此外，ZnTiO?的高介电常数和大比表面积也有助于增强其表面反应性和催化性能。将ZnTiO?与其他半导体材料结合，通常能够产生协同效应，显著提升光催化效率。

Sm?CuO?是一种由稀土元素钐和过渡金属铜组成的金属氧化物，具有正交晶系结构。它的能带宽度相对较窄（约1.62电子伏特），这使得它在可见光照射下表现出良好的光催化性能。Sm?CuO?中的钐和铜离子在晶格中的结合能够增强电荷分离，减少电子-空穴对的复合，从而提高其在降解有机污染物方面的效率。这一特性使Sm?CuO?成为一种有潜力的环境修复材料，能够有效清除有机污染物。

近年来，光催化纳米复合材料因其优异的性能而受到越来越多的关注。这些复合材料通常由两种或更多种纳米结构材料组成，能够显著提高光化学反应的效率。例如，铂与多壁碳纳米管和锌钛酸（Pt/MWCNT/ZnTiO?）以及银与聚苯胺和锌钛酸（Ag/PANI/ZnTiO?）等复合材料已被证明在降解有机污染物方面具有超过90%的效率。尽管Sm?CuO?作为一种单一催化剂已被证实具有良好的性能，但其在复合材料中的应用仍处于探索阶段。一些研究已经表明，纯Sm?CuO?能够高效地降解有机染料，例如甲基橙，其降解效率高达91.4%。这进一步表明，Sm?CuO?与ZnTiO?等其他氧化物结合，可能产生更优异的光催化性能。

传统的纳米材料合成方法，如水热法、溶胶-凝胶法、超声波法和沉淀法，通常需要高能量输入，并且涉及使用有害化学物质，这可能对环境造成污染，并影响操作安全性。因此，近年来绿色合成方法逐渐受到重视，特别是利用植物提取物作为天然的还原剂、稳定剂和表面活性剂。植物提取物中含有多种生物活性化合物，如生物碱、黄酮类、皂苷、萜类和多酚类物质，这些物质能够有效控制纳米颗粒的成核和生长过程。此外，这些化合物还能够影响纳米材料的结晶度、粒径和表面特性。

南瓜叶提取物（*Cucurbita moschata* (Duchesne)）因其含有丰富的次级代谢产物，如生物碱、黄酮类和多酚类物质，被认为是一种非常适合用于绿色合成的天然材料。这些代谢产物不仅能够替代传统的强碱性试剂如氢氧化钠，还能作为天然的表面活性剂，从而有效调控纳米颗粒的生长。此外，这些生物活性化合物还能作为弱碱性前体，用于合成金属氧化物纳米材料。

在本研究中，研究人员采用了一种单相绿色合成方法，利用南瓜叶提取物作为天然的基础和稳定剂，分别合成ZnTiO?纳米颗粒、Sm?CuO?纳米颗粒以及它们的纳米复合材料。这种方法不仅减少了对传统化学试剂的依赖，还提高了材料的稳定性。通过结构表征手段，如FTIR和XRD分析，研究人员确认了ZnTiO?具有菱面体结构，而Sm?CuO?具有四方结构。同时，研究还测量了这些材料的晶粒尺寸，分别为40.01纳米（ZnTiO?）、44.11纳米（Sm?CuO?）和31.12纳米（ZnTiO?/Sm?CuO?）。这些数据表明，纳米复合材料的结构更加均匀，具有更好的物理性能。

紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）分析显示，纳米复合材料的能带宽度为2.77电子伏特，介于ZnTiO?（3.78电子伏特）和Sm?CuO?（1.93电子伏特）之间。这一能带宽度的特性使得纳米复合材料在可见光照射下具有更广泛的光响应范围，从而提高了其光催化性能。此外，扫描电子显微镜（FESEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）的图像显示，纳米复合材料具有多孔结构，元素分布均匀，平均粒径为49.36±18.71纳米。这些结构特性表明，纳米复合材料不仅具有良好的物理性能，还具备优异的表面活性。

X射线光电子能谱（XPS）分析进一步确认了纳米材料中存在Zn2?、Ti??、Sm2?/Sm3?和Cu?/Cu2?等离子，并揭示了这些成分之间的界面相互作用。这些相互作用可能对光催化反应的效率产生积极影响。例如，Zn2?和Ti??的协同作用可能有助于提高电荷迁移能力，而Sm2?/Sm3?和Cu?/Cu2?的结合可能促进电荷分离，从而减少电子-空穴对的复合。

在测试其光催化性能时，研究人员选择了孔雀石绿作为目标污染物。孔雀石绿是一种广泛用于染料工业的有机染料，但其在水中的残留会对环境造成污染。通过实验，研究人员发现ZnTiO?/Sm?CuO?纳米复合材料在120分钟内能够将孔雀石绿的降解效率提高至94.47±1.02%。这一结果远高于ZnTiO?和Sm?CuO?的降解效率，表明纳米复合材料在光催化反应中具有更显著的优势。此外，研究还发现，纳米复合材料的光催化反应遵循伪一级动力学模型，其反应速率常数为21.70×10?3 min?1，进一步说明其反应效率较高。

此外，纳米复合材料在多次循环使用后仍能保持较高的降解能力，表明其具有良好的可回收性。在四次循环后，其降解能力仍能维持在77.04%左右，这表明其在实际应用中具有较高的稳定性。同时，研究还测量了纳米复合材料的ζ电位，其值为-13.30毫伏，表明其具有良好的分散稳定性，并且能够增强对正电荷孔雀石绿染料的吸附能力。这些特性使得纳米复合材料在实际应用中更加实用和高效。

在光催化反应过程中，研究人员还通过活性氧（ROS）测试，发现羟基自由基（•OH）在降解路径中起着主要作用。羟基自由基是一种强氧化剂，能够有效破坏有机污染物的分子结构，从而实现其降解。这一发现进一步说明了纳米复合材料在降解有机污染物方面的机制，为未来的研究提供了理论支持。

综上所述，这项研究通过绿色合成方法成功制备了ZnTiO?、Sm?CuO?以及它们的纳米复合材料。这些材料不仅具有良好的结构特性，还表现出优异的光催化性能。特别是在降解孔雀石绿方面，纳米复合材料展现出更高的效率和稳定性。此外，其良好的可回收性和分散稳定性也使其在实际应用中更具优势。这些成果表明，ZnTiO?/Sm?CuO?纳米复合材料具有作为可持续光催化剂的潜力，能够在环境修复和可再生能源领域发挥重要作用。