浸渍在ハロイサイト(halloysite)载体上的铜纳米颗粒:一种在温和条件下高效、灵活且可重复使用的异相纳米催化剂,可用于4-硝基苯酚的还原反应

《Journal of Water Process Engineering》:Copper nanoparticles impregnated on halloysite support: A highly active, flexible and reusable heterogeneous nanocatalyst in the reduction of 4-nitrophenol under mild conditions

【字体: 时间:2025年11月24日 来源:Journal of Water Process Engineering 6.7

编辑推荐:

  采用马齿苋叶提取物辅助的水热法成功合成镍掺杂SnO?纳米复合材料,具有显著光催化降解甲基蓝能力(60分钟完全降解)、高循环稳定性(三次循环后保留95%效率)、优异抗氧化(DPPH清除率88%)和抗菌性能(抑制圈28±0.1mm和25±0.4mm),为环保材料开发提供绿色可持续方案。

  
舒迈拉·阿斯拉姆(Shumaila Aslam)| 卡玛·M·阿尔巴拉维(Karma M. Albalawi)| 哈利勒·乌尔·雷赫曼(Khalil ur Rehman)| 穆罕默德·阿里萨(Mohammed Alissa)| 阿马尔·阿卜杜拉·阿博拉斯(Amal Abdullah Aboras)| 纳达·易卜拉欣·阿尔里布迪(Nada Ibrahim Alribdi)| 阿卜杜拉·阿尔加姆迪(Abdullah Alghamdi)| 加达·S·阿布苏利姆(Ghadah S. Abusalim)| 格弗伦·S·阿洛拉伊尼(Ghfren S. Aloraini)| 阿卜杜勒卡里姆·S·宾沙亚(Abdulkarim S. Binshaya)
巴基斯坦KPK省德拉伊斯梅尔汗(Dera Ismail Khan)戈马尔大学(Gomal University)化学科学研究所,邮编29011

摘要

采用了一种可持续的水热法,利用Matthiola incana的叶提取物作为天然还原剂、稳定剂和包覆剂,合成了掺镍的SnO?纳米复合材料(Ni/SnO? NCs)。Ni的掺入显著影响了材料的结构和光学性能,使其带隙降低了2.5电子伏特(eV),比表面积达到134平方米每克(m2 g?1)。合成的纳米复合材料在可见光照射下表现出优异的光催化稳定性,在60分钟内实现了对亚甲蓝(MB)的完全降解(100%),且经过3次重复使用后仍保持95%的效率。2,2-二苯基-1-吡啶肼(DPPH)测试显示其具有出色的抗氧化潜力,能够清除88%的自由基;同时,在光照条件下,其对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)的抑菌圈分别为28±0.1毫米和25±0.4毫米。这些结果表明,M. incana介导的Ni/SnO? NCs作为一种纳米材料,在废水净化、抗菌涂层和绿色环境修复技术中具有高效性、可回收性和可扩展性。

引言

来自工业部门(包括化学品制造、纺织和制药行业)的有机污染物排放对全球人类健康和环境构成了严重威胁。世界卫生组织(WHO)和联合国(UN)的多份报告记录了未经处理的工业废水对河流和水生生态系统的持续破坏[1]。因此,寻找有效且长期的方法来减少水中的工业污染至关重要。由于金属和金属氧化物纳米颗粒具有高反应性和强吸附能力,纳米技术在环境修复领域受到了广泛关注。银(Ag)、氧化铜(CuO)、二氧化钛(TiO?)和氧化锌(ZnO)等常见纳米颗粒可能会向环境中释放有害金属离子,这引发了对其长期环境影响的担忧[1]。
相比之下,二氧化锡(SnO?)纳米颗粒由于具有优异的化学稳定性、较低的毒性和较少的渗出性,对环境较为友好[2]。这些特性,包括较宽的带隙(约3.6电子伏特)、高电子迁移率和强氧化能力,使得它们能够光催化降解有机污染物(如染料、酚类化合物和药物残留物),且不会产生二次废物[3]。尽管这些方法仍然有效,但由于需要大量的能量和试剂,物理、化学和高级氧化过程的成本较高[4,5]。光催化技术通过将光能转化为化学能,是一种经济高效且环保的污染物分解方法。SnO?是一种n型半导体,具有金红石四方相结构,因其宽带隙、低电阻和透明性而常用于光伏、传感器和光催化领域[6,7]。通过掺杂金属(Ni、Co、Mn、Fe)可以进一步提升其光学、电学和光催化性能[8,9]。
最新研究表明,通过应变工程、外部能量或原子排列调控可以显著降低SnO?的带隙,从而提高其对可见光的利用效率[10,11]。电子散射效应[13]和结构不对称性[12]会降低带隙并增强载流子活性[14]。异质结的形成还能有效抑制电子-空穴复合,延长载流子寿命,进一步提高光催化效果。此外,基于SnO?的光催化剂还能通过活性氧(ROS)途径破坏细菌膜和DNA,从而发挥抗菌作用[15,16]。表面修饰、贵金属掺杂和复合材料合成还能增强对可见光的吸收和光催化效率[17, [18], [19]]。
由于其优异的电学和化学性质以及光催化潜力,SnO?纳米颗粒常用于太阳能电池、电池和传感器[20,21]。目前已开发出多种合成方法[22,23],其中越来越注重环保和可持续的方法,如无溶剂水热法[27, [28], [29], [30]、微生物技术和植物提取物辅助合成[24, [25], [26]]。这些方法在减少环境影响的同时,仍保持了较高的光催化性能。
尽管掺镍的SnO?纳米颗粒已得到广泛研究,但常见的合成方法依赖于化学前体、高温或有毒还原剂,这限制了其广泛应用和可持续性。虽然芦荟(Aloe vera)、辣木(Moringa oleifera)和(Zingiber officinale)等植物提取物被用于绿色合成,但对M. incana的生化潜力研究较少。M. incana是一种富含黄酮类化合物和含硫葡萄糖苷的药用植物,可作为天然稳定剂和包覆剂。以往的研究尚未充分探讨通过Ni掺杂和M. incana辅助的水热合成同时实现光催化、抗菌和抗氧化作用的可能性。当前的研究旨在填补这一研究空白。
本研究的创新之处在于首次使用M. incana叶提取物进行绿色水热合成掺镍的SnO?纳米复合材料。这种环保方法能够同时控制晶粒纯度、带隙能量(2.5电子伏特)和比表面积(134平方米每克),同时避免使用有害的还原剂。提取物中的生物功能基团有助于形成异质结和Ni的掺入,从而改善电荷分离和可见光活性。因此,合成的Ni/SnO? NCs在60分钟内可实现亚甲蓝的完全降解(100%),具有高重复使用性和出色的抗菌及抗氧化性能。这项研究因其结合了环境安全性和多功能性,为可持续纳米技术做出了独特贡献。

材料

五水合四氯化锡(SnCl?·5H?O,≥99%)和二水合氯化镍(NiCl?·2H?O,≥99%)购自Sigma-Aldrich(巴基斯坦)。同一供应商还提供了营养液、营养琼脂、自由基清除剂2,2-二苯基-1-吡啶肼(DPPH)以及标准抗生素头孢克肟(cefixime)。所有试剂的等级、纯度和供应商信息均列于表1中。
叶提取物的制备
从巴基斯坦巴卡尔(Bhakkar)的Darya Khan采集了M. incana的新鲜叶片。

紫外-可见光分析

图2(A)展示了SnO?纳米颗粒和Ni/SnO?纳米复合材料的紫外-可见光吸收光谱。带隙能量、表面尺寸、结构缺陷和杂质的存在等因素会影响这些材料的光学吸收行为。价带(VB)到导带(CB)的电子跃迁对应于材料?带隙能量,表现为约350纳米处的明显吸收峰[36]。Tauc关系基于固态理论

结论

总之,本研究展示了一种通过绿色合成和Ni掺杂来调控SnO?性能的可持续且高效的方法。该方法利用M. incana叶提取物作为温和的还原剂,成功制备出了纳米复合材料,其中Ni的掺入有助于调节晶格缺陷、调控带结构并改善电荷分离。这种定制的设计使得Ni/SnO? NCs具备多种功能

CRediT作者贡献声明

哈利勒·乌尔·雷赫曼(Khalil ur Rehman): 负责撰写、审稿和编辑工作,以及项目管理工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得Nourah bint Abdulrahman大学研究支持项目(PNURSP2025R571)的支持。
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