综述：镍铬尖晶石纳米材料：合成、改性与多功能应用的研究进展

本综述系统探讨了镍铬尖晶石纳米颗粒（NiCr2O4 NPs）的合成策略（包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法等）、结构调控（如立方/四方相变）及其在光催化（photocatalysis）、癌症治疗（anticancer）、抗菌（antibacterial）、传感器（sensors）和能源存储（batteries）等领域的创新应用，为多功能纳米材料设计提供重要参考。

　　

引言

纳米技术作为跨学科核心领域，驱动着材料科学、生物医学及能源技术的革新。镍铬尖晶石（NiCr₂O₄）纳米颗粒因其独特的磁性、化学稳定性与生物相容性，成为多功能材料的研究热点。其晶体结构为正常尖晶石型，单位晶胞包含8个Ni²⁺、16个Cr³⁺和32个O^2?离子，氧离子以立方密堆积排列，镍和铬分别占据四面体与八面体位点。这种结构赋予材料优异的半导体特性与多铁性（multiferroic），为后续功能化应用奠定基础。

合成方法

NiCr₂O₄纳米颗粒的合成策略多样，其中柠檬酸盐法通过热重分析显示前驱体在300–900°C经历反应驱动质量损失（45.82%），并在高于1000°C时形成稳定尖晶石相。共沉淀法可制备高纯度纳米颗粒，但需严格控制pH与温度以避免杂质相生成。水热法通过高压环境促进晶粒定向生长，而溶胶-凝胶法利于调控颗粒尺寸与形貌。燃烧法以甘氨酸（NH₂CH₂COOH）为燃料，通过氧化还原反应释放气体产物（如CO₂和H₂O）驱动合成过程。

退火温度是影响晶体结构与磁性的关键参数：低于800°C时以NiO和Cr₂O₃为主相，900°C以上才形成纯相NiCr₂O₄，且温度升高可能导致立方相向四方相转变，进而调控磁有序行为。

纳米复合材料与掺杂改性

通过构建纳米复合材料（如NiCr₂O₄/Al-MCM-41、NiCr₂O₄/Bi₂S₃/Cr₂S₃）可增强光催化性能，其中载体材料提供高比表面积与活性位点协同作用。金属掺杂（如Ce、Co、Zn）通过引入缺陷态与价态变化调节电子结构：Ce³⁺掺杂因与Ni²⁺的离子半径差异产生晶格畸变，稳定铁磁性质；Co掺杂可提高催化氧化活性；Zn掺杂则优化光学带隙（2.7 eV），增强可见光响应。

磁性行为

NiCr₂O₄的磁性受粒径、形貌及合成工艺影响。纳米尺度下可能出现超顺磁性（superparamagnetism），而低温磁有序行为则与几何阻挫（geometric frustration）和自旋轨道耦合相关。相变温度（Néel温度）以下可呈现反铁磁或亚铁磁态，掺杂稀土金属离子（如Ce）后更易形成磁畴结构，为磁热疗与靶向给药提供可能。

应用领域

1. 1.

   光催化：纯相NiCr₂O₄在可见光下60分钟内对有机染料降解率达89%，复合材料如CuCr₂O₄-TiO₂进一步提升效率至98%。其机制涉及光生电子-空穴对分离及活性氧物种（ROS）生成。

2. 2.

   生物医学：纳米颗粒表现出显著抗菌活性（如针对革兰氏阳性/阴性菌）与抗癌效果，通过诱导细胞凋亡（apoptosis）及氧化应激途径杀伤肿瘤细胞。

3. 3.

   传感与能源：用于气体传感器（如丙烷氧化脱氢反应）时，NiCr₂O₄选择性低于NiAl₂O₄但活性更高；在太阳能电池与锂离子电池中，尖晶石结构利于离子迁移与电荷存储。

4. 4.

   催化氧化：在丙烷脱氢反应中，NiCr₂O₄促进丙烯（C₃H₆）生成，但伴随深度氧化产物（CO₂）增加，表明存在串联反应路径。

挑战与展望

当前NiCr₂O₄纳米材料面临合成重复性、规模化生产及生物安全性等挑战。未来需优化掺杂策略与复合设计，以平衡材料性能与生态相容性，推动其在环境修复、精准医疗及新能源器件中的实际应用。