基于层状双氢氧化物和氧化铜（I）的新型纳米复合材料：作为高效吸附剂和抗菌添加剂的性能研究——合成、实验表征与建模

《Materials & Design》：Novel nanocomposite Based on Layered Double Hydroxides and Copper (I) Oxide as Efficient Adsorbent and Antimicrobial Additive: Synthesis, Experimental Characterization and Modeling

纳米复合材料合成与性能研究：基于层状双氢氧化物与氧化亚铜的抗菌及染料吸附应用。采用L-抗坏血酸还原和皂树果提取物作为生物表面活性剂，成功制备LDH/Cu2O纳米复合材料。SEM和TEM显示Cu2O纳米颗粒（20 nm）均匀负载于LDH层状结构，XRD证实两种物质的晶体相。材料对Bacillus cereus和Pseudomonas stutzeri抑菌圈达3-13 mm，Remazol Midnight Black RGB染料吸附效率97%，循环4次后仍保持80%效率。细胞毒性实验显示低毒性和抗氧化能力，验证其在环境治理和抗菌领域的潜力。

　　本研究聚焦于一种基于层状双氢氧化物（LDH）和铜(I)氧化物纳米颗粒（Cu?O-NPs）的纳米复合材料的合成与应用。通过采用L-抗坏血酸作为还原剂以及*Sapindus saponaria* L. 提取物作为生物表面活性剂，成功制备出该材料。该纳米复合材料不仅在结构上具有显著优势，而且在环境治理和抗菌性能方面展现出巨大潜力。此外，该材料还具备吸附和光催化双重功能，为解决当前染料废水处理难题提供了新思路。

### 材料的合成与特性

LDH是一类具有二维层状结构的无机材料，其结构类似于水镁石（Mg(OH)?），其中部分Mg2?被三价金属离子如Al3?取代。这种取代会在氢氧化物层上产生正电荷，通过层间区域的水合阴离子进行补偿。LDH的合成通常采用共沉淀法、水热法或溶胶-凝胶法，这些方法能够控制pH值，从而形成不同形态的LDH。在本研究中，为了提升Cu?O-NPs的稳定性，采用了高比例的LDH作为载体，并通过L-抗坏血酸作为绿色还原剂，有效减少了传统化学还原剂对环境的污染。

Cu?O作为一种具有窄带隙（2.17-2.2 eV）和强可见光吸收能力的材料，被认为是光催化应用的候选者。然而，Cu?O在实际应用中存在一定的局限性，如氧化敏感性和稳定性较差，这限制了其在某些环境条件下的使用。为了解决这些问题，研究者将Cu?O纳米颗粒负载在LDH的层状结构上，形成LDH/Cu?O纳米复合材料。这种结构不仅提升了Cu?O的稳定性，还增强了LDH的抗菌性能，使其在抗菌和环境治理方面具备更高的应用价值。

### 材料的表征与性能评估

为了全面了解LDH/Cu?O纳米复合材料的结构和性能，研究者采用了一系列物理化学表征方法，包括红外光谱（IR）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、扫描电子显微镜（FESEM）、高分辨率透射电镜（HR-TEM）、选区电子衍射（SAED）、能量色散X射线光谱（EDX-Mapping）、动态光散射（DLS）、比表面积分析（BET）和热重分析（TGA）。这些方法的综合应用为材料的结构分析和性能评估提供了可靠依据。

通过XRD分析，研究者确认了LDH-10C样品的晶体结构。Cu?O纳米颗粒表现出高度的晶体结构，其特征衍射峰（110）、（111）、（200）和（220）分别出现在29.9°、36°、45°和62°，与JCPDS 01-071-3645标准数据一致。这表明所制备的Cu?O纳米颗粒具有良好的结晶性，且其结构与已有文献报道的立方Cu?O纳米颗粒相似。同时，LDH的XRD图谱中衍射峰清晰，表明其具有较高的纯度，且其晶体结构与标准LDH（JCPDS 00-051-1525）一致。

在IR分析中，研究者观察到LDH和Cu?O纳米颗粒之间的相互作用，通过红外光谱可以识别出材料中不同官能团的存在，从而进一步验证其结构特性。UV-Vis DRS分析则显示，LDH/Cu?O纳米复合材料在可见光范围内具有良好的光吸收能力，表明其在光催化反应中具有较高的潜力。

通过FESEM和HR-TEM图像，研究者发现Cu?O纳米颗粒呈现出近似球形的结构，并且均匀分布在LDH层状结构上，粒径约为20 nm。EDX-Mapping分析进一步确认了Cu?O纳米颗粒在LDH上的分布情况，同时揭示了材料中主要元素的组成，包括C、O、Mg和Al。这些结果表明，LDH/Cu?O纳米复合材料在结构上具有高度的均匀性和稳定性，为其在环境治理中的应用奠定了基础。

### 抗菌性能与环境治理应用

在抗菌性能方面，研究者发现LDH/Cu?O纳米复合材料相较于纯LDH表现出显著的提升。在对抗*Bacillus cereus*和*Pseudomonas stutzeri* B27等细菌时，其抑制区达到3-13 mm，表明其具有高效的抗菌能力。这种抗菌性能的增强可能与Cu?O纳米颗粒的光催化活性以及其对细菌细胞膜的破坏作用有关。同时，LDH本身也具有一定的抗菌性能，而Cu?O纳米颗粒的引入进一步提升了这一特性。

在环境治理方面，LDH/Cu?O纳米复合材料被用于去除一种广泛应用于服装行业的活性染料——Remazol Midnight Black RGB。实验结果表明，该材料的去除效率约为97%，最大吸附能力达到197.63 mg/g。这一性能表现突出，表明LDH/Cu?O纳米复合材料在处理染料废水方面具有良好的应用前景。此外，该材料还被用于处理实际的染色废水样本，展现出一定的处理能力。

值得注意的是，LDH/Cu?O纳米复合材料在经过四次重复使用后，其去除效率仍保持在80%左右，而吸附能力则高于100 mg/g。这表明该材料在实际应用中具有良好的稳定性和可重复使用性，为其在大规模环境治理中的应用提供了可能。同时，该材料在处理染料废水时表现出较低的细胞毒性，对Vero细胞无明显伤害，这进一步提升了其在生物安全方面的应用价值。

### 与其他材料的比较与优势

与传统的Cu-LDH材料相比，本研究中采用的LDH/Cu?O纳米复合材料在多个方面展现出优势。首先，Cu?O的引入不仅提升了LDH的抗菌性能，还赋予其光催化能力，使其能够同时实现吸附和光催化双重功能。其次，使用自然来源的表面活性剂*Sapindus saponaria* L. 提取物，不仅降低了合成过程中的环境污染，还提升了材料的稳定性。这与以往研究中采用化学表面活性剂的方法相比，更加环保和可持续。

此外，Cu?O作为一种非金属氧化物，相较于Cu2?化合物，其毒性较低，对水生生物和人类健康的影响较小。因此，在环境治理和抗菌应用中，LDH/Cu?O纳米复合材料具有更高的安全性。同时，Cu?O的窄带隙和强可见光吸收能力使其在光催化反应中表现出良好的性能，这为材料在可见光驱动下的应用提供了可能。

### 应用前景与研究意义

本研究的成果表明，LDH/Cu?O纳米复合材料在环境治理和抗菌应用方面具有广阔的前景。其不仅能够高效去除活性染料，还能够在处理实际染色废水时表现出一定的能力。同时，该材料在经过多次重复使用后仍能保持较高的性能，这为其在大规模工业应用中提供了可能。此外，该材料在生物安全性方面也表现出良好特性，对Vero细胞的细胞毒性较低，且具有一定的抗氧化能力，这进一步提升了其在生物医学和环境保护领域的应用价值。

综上所述，LDH/Cu?O纳米复合材料的合成和应用为解决当前染料废水处理难题提供了新的思路。通过采用绿色合成方法和天然表面活性剂，该材料在环境友好性和生物安全性方面表现出显著优势。同时，其在吸附和光催化方面的双重功能使其在环境治理和抗菌应用中具有更高的效率和可行性。这些研究结果不仅拓展了LDH材料的应用范围，也为未来开发更加环保和高效的纳米复合材料提供了理论依据和技术支持。