植物介导合成铜掺杂氧化锌纳米颗粒及其对亚甲基蓝染料降解的光催化性能研究

推荐：本研究针对水体有机污染物治理难题，采用Phytolacca dodecandra叶提取物绿色合成Cu@ZnO NPs，通过UV-Vis、XRD、FTIR等表征证实其20-22 nm晶型结构，1% Cu掺杂样品在100分钟可见光照射下实现82.28% MB降解率，为低成本、环保型纳米光催化剂开发提供新策略。

　　

随着工业染料排放导致的水体污染日益严重，亚甲基蓝（MB）等难降解有机污染物对生态环境和人类健康构成重大威胁。传统处理方法如吸附和生物降解存在效率低、二次污染等问题，而光催化技术因其可利用太阳能实现污染物矿化的优势备受关注。氧化锌（ZnO）纳米颗粒因其优异的光催化性能成为研究热点，但其宽禁带（>3 eV）特性导致仅能利用5%的太阳光谱，且光生电子-空穴对快速复合制约了实际应用。针对这些瓶颈，埃塞俄比亚研究人员Gemechu Dufera Abebe和Shibiru Yadeta Ejeta创新性地采用当地广泛分布的Phytolacca dodecandra叶提取物作为生物还原剂，通过绿色合成法制备铜掺杂氧化锌纳米颗粒（Cu@ZnO NPs），并系统研究其对MB染料的光催化降解性能，相关成果发表在《Results in Chemistry》。

研究团队采用紫外-可见光谱（UV-Vis）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、比表面积分析（BET）和电化学测试等关键技术，结合植物化学筛选和光催化动力学实验，对材料进行多维度表征。通过优化前驱体浓度（1 M Zn(CH₃COO)₂）、叶提取物体积（15 mL）和铜掺杂比例（1%-5%），成功制备出具有可见光响应的纳米催化剂。

3.1 植物化学成分分析
叶提取物中检测到黄酮类、酚类等活性成分，其羟基和羧基官能团在纳米颗粒合成中发挥还原和封端作用，FTIR谱图中3405 cm^-1处的-OH伸缩振动峰证实了生物分子的有效负载。

3.3 材料表征结果
XRD显示所有样品均呈现纤锌矿结构（2θ=31.76°-69.08°），1% Cu@ZnO平均晶粒尺寸21.02 nm，小于5%掺杂样品（22.08 nm）。UV-Vis吸收边红移至363 nm，对应带隙从ZnO的3.06 eV降至2.87 eV，PL光谱证实铜掺杂有效抑制了电子-空穴复合。BET分析表明1% Cu@ZnO比表面积达89.274 m²/g，显著高于纯ZnO（50.602 m²/g）。

3.6 光催化性能
在可见光照射下，1% Cu@ZnO表现出最优降解效率（82.28%），动力学常数k=0.011 min^-1，循环使用3次后活性仅下降7.5%。电化学测试显示其电荷转移电阻（R_ct=22.75 Ω）显著低于ZnO（50.33 Ω），CV曲线积分面积增加10倍，证实铜掺杂显著提升了载流子分离效率。

3.8 反应机制
通过莫特-肖特基测试计算得出1% Cu@ZnO的导带电位为-0.12 eV vs NHE，价带电位1.75 eV，提出的机理涉及：①可见光激发产生e^-/h⁺对；②Cu²⁺/Cu⁺氧化还原介导电子转移；③·OH和·O₂^-活性氧物种攻击MB分子。

该研究首次将Phytolacca dodecandra叶提取物应用于纳米材料合成，通过精准调控铜掺杂浓度，实现了ZnO光吸收范围拓展和表面活性位点增加的协同效应。相较于传统化学法合成的催化剂（如Cu_2-xSe NPs需120分钟达到90.3%降解率），生物合成的1% Cu@ZnO在更短时间（100分钟）内展现出竞争优势，且避免了有毒试剂的使用。这项工作不仅为发展中国家提供了低成本纳米材料制备方案，也为设计高效稳定的可见光驱动环境修复催化剂提供了新思路，具有重要的环境和经济效益。未来可进一步探索该植物提取物在其他金属氧化物纳米材料合成中的普适性应用。