ZnO/CuO纳米复合材料的绿色合成及其在光催化与抗菌应用中的性能优化研究

为解决水污染治理中传统光催化剂效率低、抗菌材料成本高的问题，研究人员采用植物提取物介导的绿色合成法，制备了ZnO/CuO纳米复合材料(NCs)。通过对比化学沉淀法与生物合成法，发现绿色合成的NCs具有更小的粒径(20-50 nm)、更高的可见光催化活性(80分钟降解MB达98.8%)和更强的抗菌效果(对E.coli抑菌圈达19.0 mm)。该研究为开发高效、环保的纳米抗菌光催化剂提供了新思路。

　　

随着工业化和人口增长，水污染已成为全球性难题。有机染料和病原微生物等污染物难以通过传统方法有效去除，而半导体光催化技术因其高效、环保的特性备受关注。其中，氧化锌(ZnO)因其良好的光电性能被广泛研究，但其宽禁带(3.2 eV)导致可见光利用率低，且光生载流子易复合。为解决这些问题，研究人员尝试将ZnO与窄禁带半导体如氧化铜(CuO)复合，构建p-n异质结来改善性能。然而传统化学合成方法往往存在能耗高、污染大等问题，亟需开发绿色可持续的制备工艺。

来自埃塞俄比亚的研究团队创新性地采用非洲传统药用植物Vernonia amygdalina（苦叶）提取物作为还原剂和稳定剂，通过生物法制备ZnO/CuO纳米复合材料(NCs)，并与化学沉淀法制备的样品进行系统对比。研究发现，植物提取物中的生物活性成分能有效控制纳米颗粒的尺寸和分散性，所制备的NCs在光催化和抗菌方面均展现出显著优势。相关成果发表在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》上，为环境治理和医疗抗菌提供了新型纳米材料解决方案。

研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术表征材料结构，通过紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和光致发光光谱(PL)分析光学性质，并利用密度泛函理论(DFT)计算电子结构。光催化实验以甲基蓝(MB)为模型污染物，抗菌测试则选用两种革兰氏阳性菌(S. aureus、S. pyogenes)和两种革兰氏阴性菌(E. coli、P. aeruginosa)。

3.1 XRD分析
XRD图谱证实所有样品均为纯相，ZnO呈六方纤锌矿结构(JCPDS-36-1451)，CuO为单斜相(JCPDS 48-1548)。生物合成的NCs结晶尺寸更小，归因于植物代谢物的强封端作用。

3.2 FTIR分析
红外光谱显示生物合成的ZC20(ext)样品在3100-3700 cm^-1
处有显著酚羟基峰，这些表面基团可通过静电作用增强与MB染料的相互作用。

3.3 形貌分析
SEM和TEM显示生物合成的NCs粒径更小(20-50 nm)且分散性更好。EDX元素分布图证实Zn、Cu、O均匀分布，形成良好异质结。

3.4 XPS分析
XPS谱显示Zn 2p_3/2
和Cu 2p_3/2
结合能在生物合成样品中发生位移，表明植物成分与金属氧化物的相互作用。

3.5 紫外-可见DRS分析
ZnO/CuO NCs的带隙(2.77-2.80 eV)显著小于纯ZnO(3.19 eV)，拓展了可见光响应范围。生物合成样品的量子限域效应导致带隙略微增大。

3.6 光致发光分析
PL光谱显示NCs的紫外发射峰强度降低，表明p-n异质结有效抑制了载流子复合。生物合成样品I_UV
/I_Vis
比值更低(3.58 vs 6.86)，提示更多缺陷位点。

3.7 电化学分析
莫特-肖特基测试证实ZnO为n型，CuO为p型，形成内建电场促进电荷分离。计算得出ZnO的导带(CB)为0.2 V vs RHE，CuO的价带(VB)为2.01 V vs RHE。

3.8 第一性原理计算
DFT计算显示ZnO和CuO均为直接带隙半导体，带隙分别为3.400 eV和1.999 eV。态密度分析表明ZnO的价带顶主要由O-2p和Zn-3d轨道贡献。

3.9 光催化活性
优化后的ZC20(ext)样品在80分钟内降解98.8% MB，速率常数达0.0528 min^-1
，优于化学合成样品(91.02%，0.02998 min^-1
)。清除实验证实O₂
^•-
和•OH是主要活性物种。

3.10 抗菌活性
生物合成NCs对所有测试菌株均表现出更强抑制作用，尤其对E. coli的抑菌圈达19.0±0.37 mm。这归因于更小的粒径、更多的Zn²⁺
/Cu²⁺
释放和ROS生成。

该研究成功开发了一种简单、环保的ZnO/CuO NCs制备方法，通过植物提取物介导的绿色合成获得了性能优异的纳米材料。材料表征和理论计算证实，生物合成的NCs具有更小的粒径、更优的电荷分离效率和更宽的可见光响应。在实际应用中，这些NCs展现出卓越的光催化活性和抗菌性能，其MB降解效率(98.8%)和抗菌效果(抑菌圈19.0 mm)均显著优于传统化学合成样品。研究不仅为环境污染治理提供了高效解决方案，也为开发新型抗菌材料开辟了道路。特别值得注意的是，这种方法避免了有毒化学试剂的使用，符合绿色化学原则，具有大规模应用的潜力。未来研究可进一步探索这些NCs在氢能生产、气体传感和生物医学等领域的应用前景。