铌掺杂ZnO纳米颗粒的绿色合成及其在光催化染料降解与抗菌应用中的性能增强

本研究针对工业染料污染和微生物感染问题，通过绿色水热法合成铌(Nb)掺杂氧化锌(ZnO)纳米颗粒，利用桉树叶提取物作为还原剂和稳定剂。优化后的8% Nb-ZnO在可见光下实现98%亚甲基蓝降解率，并展现广谱抗菌活性，为可持续水处理提供新型多功能纳米材料。

　　

随着工业废水排放加剧，有机染料污染已成为威胁水生态安全和人类健康的全球性问题。传统处理方法如吸附和膜分离存在成本高、二次污染等缺陷，而半导体光催化技术因其高效、环保特性备受关注。其中氧化锌(ZnO)因其3.37 eV宽带隙和化学稳定性成为研究热点，但其紫外光依赖性和高电子-空穴复合率严重制约实际应用。与此同时，耐药菌的蔓延也亟需开发兼具环境修复和抗菌功能的纳米材料。

来自巴基斯坦穆里德克地区的研究人员创新性地采用桉树(Eucalyptus globulus)叶提取物，通过绿色水热法合成铌(Nb)掺杂ZnO纳米颗粒。该研究系统考察了2%、5%、8%三种掺杂浓度对材料性能的影响，发现8% Nb-ZnO将带隙从3.21 eV显著降至2.15 eV，在太阳光下120分钟内实现98%亚甲基蓝降解率，同时对革兰氏阳性菌(如枯草芽孢杆菌)和革兰氏阴性菌(如假单胞菌)均表现出强抗菌活性。相关成果发表于《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证桉树叶多酚对纳米颗粒的稳定作用，X射线衍射(XRD)证实24-27 nm的六方纤锌矿结构，动态光散射(DLS)显示93-141 nm流体力学直径。紫外-可见光谱(UV-Vis)证实Nb掺杂有效拓宽光响应范围，能量色散X射线光谱(EDX)和扫描电镜(SEM)则验证元素分布和表面形貌。

【材料表征】XRD显示所有样品均保持纤锌矿结构，2% Nb掺杂使晶格常数从5.206 ?增至5.219 ?，表明Nb⁵⁺成功取代Zn²⁺位点。DLS揭示8% Nb-ZnO具有最小团聚尺寸(93 nm)，有利于活性位点暴露。

【光学性能】UV-Vis显示掺杂浓度与带隙降低呈正相关，8%样品吸收边红移至575 nm，归因于Nb 4d轨道引入的中间能级。瞬态荧光光谱证实8% Nb-ZnO的载流子寿命延长3.7倍。

【光催化机制】电子顺磁共振(EPR)检测到超氧自由基(•O₂^-)和羟基自由基(•OH)信号增强，能带分析表明Nb掺杂使导带负移0.38 eV，促进O₂还原反应。

【抗菌实验】8% Nb-ZnO对Peptostreptococcus的抑菌圈达28 mm，透射电镜(TEM)观察到细菌膜结构破裂，与活性氧(ROS)爆发和Zn²⁺溶出协同作用相关。

该研究通过植物提取物辅助的绿色合成策略，突破性地将Nb掺杂与生物模板法结合，创制出带隙可调的双功能纳米材料。2.15 eV的窄带隙设计使太阳能利用率提升58%，而多酚包覆赋予材料优异的水分散性。研究不仅为染料废水处理提供新方案，其"一材双效"特性对应对复合型环境挑战具有示范意义。后续研究可进一步探索Nb-ZnO在动态水流体系中的长效稳定性及其对耐药基因的清除潜力。