头孢氨苄和阿莫西林在绿色合成的MgO@叶酸纳米颗粒作用下的光降解

《Results in Chemistry》：Photodegradation of cephalexin and amoxicillin through green-synthesized MgO@folic acid nanoparticles

采用 Ferula assa-foetida 提取物合成了 MgO 和 MgO@F 纳米颗粒，通过 PXRD、FESEM、UV-vis 等表征证实其立方晶体结构和均匀球形形貌，MgO@F 的带隙降低至 2.3 eV，zeta 电势为 -8.9 mV。光催化实验显示，MgO@F 对 CPX 和 AMX 的降解效率分别达 80.3% 和 84.06%，显著优于 MgO，机理涉及电荷分离、ROS 生成及吸附-催化协同效应。

　　### 纳米技术在环境治理中的应用与进展

近年来，随着科技的不断进步，纳米技术在多个领域展现出巨大的潜力，尤其是在环境治理方面。纳米材料因其独特的物理化学性质，如高比表面积、优异的光学性能以及可调控的表面结构，成为去除污染物、特别是药物残留的理想选择。在制药工业和医疗领域，大量抗生素被广泛使用，这些药物在代谢过程中部分未被完全分解，最终进入废水系统，对生态环境造成潜在威胁。因此，寻找高效、环保且经济的废水处理技术显得尤为重要。

### 绿色合成方法的兴起

传统纳米材料的制备方法往往涉及高温、高压以及有毒化学试剂的使用，不仅成本高昂，还可能对环境造成二次污染。为此，科学家们开始探索更加环保的合成路径，其中利用天然植物提取物作为还原剂和稳定剂的“绿色合成”方法引起了广泛关注。植物提取物富含多种有机化合物，如黄酮类、酚类、单宁酸和叶酸等，这些物质不仅能够有效促进纳米颗粒的形成，还能改善其表面特性，从而增强其在环境中的稳定性和应用性能。

在本研究中，研究人员采用了一种基于植物提取物的绿色合成方法，使用**Ferula assa-foetida**（臭草）提取物制备了镁氧化物纳米颗粒（MgO NPs）及其与叶酸（Folic Acid, FA）复合的纳米颗粒（MgO@F NPs）。这种方法不仅避免了传统化学合成过程中的有害物质排放，还为后续的环境修复应用提供了可持续的材料来源。

### 纳米颗粒的表征技术

为了全面评估所制备的纳米颗粒的性能，研究团队采用了一系列先进的表征技术，包括X射线粉末衍射（PXRD）、紫外-可见吸收光谱（UV–vis）、动态光散射（DLS）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能量色散X射线光谱（EDX）以及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等。这些技术分别用于分析纳米颗粒的晶体结构、光学性质、粒径分布、表面形态和元素组成，以及表面官能团的化学特性。

PXRD分析结果显示，所制备的MgO NPs呈现出典型的立方晶格结构，其特征峰与标准图谱JCPDS # 75-1525高度吻合。此外，MgO@F NPs的XRD图谱中也出现了类似的特征峰，但强度有所减弱，这可能与叶酸分子在晶体结构中的引入有关。通过计算Scherer方程，研究团队进一步确定了MgO和MgO@F NPs的晶粒尺寸，分别为30.22 nm和37.77 nm，表明叶酸的加入对晶体生长产生了一定影响。

FESEM图像揭示了MgO NPs和MgO@F NPs的形态差异。纯MgO NPs呈现出规则的球形结构，而MgO@F NPs则由于叶酸的包裹作用，形成了不规则的聚集体。EDX分析进一步验证了这两种纳米颗粒的元素组成，MgO NPs主要由镁和氧组成，而MgO@F NPs则在原有基础上增加了碳和氮的含量，这表明叶酸成功地吸附在MgO表面并形成了稳定的复合结构。

DLS分析则提供了纳米颗粒在水溶液中的分散情况。结果显示，MgO NPs在水中具有良好的分散性，其平均粒径为85.0 nm。然而，当叶酸被引入后，MgO@F NPs的粒径有所增加，达到94.6 nm，这可能是由于叶酸分子在纳米颗粒表面形成了一层有机包覆，从而改变了其表面能和分散行为。同时，Zeta电位的测定表明，MgO NPs的表面电荷为负，平均值为?19.8 mV，而MgO@F NPs的Zeta电位降低至?8.9 mV，这说明叶酸的修饰作用改变了纳米颗粒的表面电荷特性，可能影响其在水中的稳定性和与其他物质的相互作用。

FT-IR光谱分析则用于研究纳米颗粒的表面化学性质。结果显示，MgO NPs和MgO@F NPs在特定波数范围内出现了明显的吸收峰，这些峰对应于不同官能团的振动模式，如羟基（O–H）、水分子的弯曲振动以及Mg–O键的伸缩振动。此外，叶酸分子在FT-IR谱图中也表现出独特的吸收特征，表明其与MgO表面之间存在一定的化学相互作用，从而增强了纳米颗粒的表面活性。

### 光催化降解性能评估

为了评估MgO和MgO@F NPs在实际环境中的应用潜力，研究团队进一步测试了它们对两种常见抗生素——**头孢克肟（CPX）**和**阿莫西林（AMX）**的光催化降解能力。实验采用可见光作为光源，通过监测抗生素溶液在不同时间点的吸光度变化，计算其降解效率。结果显示，在150分钟的可见光照射下，MgO NPs对CPX和AMX的降解效率分别为71.92%和74.09%，而MgO@F NPs的降解效率则显著提高，分别达到80.3%和84.06%。

这一结果表明，叶酸的引入显著提升了MgO纳米颗粒的光催化性能。可能的原因包括：叶酸分子在纳米颗粒表面形成了一层有机包覆，不仅增强了其对污染物的吸附能力，还通过改变表面电荷分布和引入新的能量态，促进了电子-空穴对的有效分离，从而提高了光催化反应的效率。此外，光催化过程中产生的活性氧物种（ROS）在叶酸的辅助下能够更高效地氧化分解污染物，进一步提升了降解效果。

### 光催化反应机制分析

光催化反应通常涉及光激发导致电子从价带跃迁至导带，形成电子-空穴对。这些自由电子和空穴在催化剂表面参与氧化还原反应，进而与污染物发生相互作用，将其分解为无害的中间产物。在本研究中，MgO NPs和MgO@F NPs在可见光照射下均表现出良好的光催化活性，但MgO@F NPs的性能更优，这可能与其表面结构和化学性质的改变有关。

进一步的反应动力学分析表明，CPX和AMX的降解过程遵循伪一级反应模型，且反应速率常数分别为0.0053 min?1和0.0104 min?1（对于CPX），以及0.0087 min?1和0.008 min?1（对于AMX）。这些速率常数的差异表明，叶酸的引入显著增强了纳米颗粒的光催化效率。此外，R2值分别为0.99和0.98，进一步验证了反应模型的适用性。

### 环境修复的应用前景

随着制药工业的快速发展，抗生素残留已成为水体污染的重要来源之一。传统的废水处理技术，如吸附、生物过滤和反渗透等，虽然在一定程度上能够去除抗生素，但其效率有限，且难以应对复杂污染物的混合情况。相比之下，光催化技术具有操作简便、成本低廉、无二次污染等优势，因此在环境修复领域展现出广阔的应用前景。

MgO@F NPs的高降解效率和良好的稳定性，使其成为一种极具潜力的光催化剂。其表面的叶酸分子不仅能够增强对污染物的吸附能力，还能通过引入新的能量态，促进电子-空穴对的分离，从而提升光催化反应的效率。此外，叶酸的引入还可能改善纳米颗粒的分散性，使其在实际应用中更具优势。

### 研究的意义与挑战

本研究通过绿色合成方法制备了MgO和MgO@F NPs，并系统评估了它们的物理化学性质和光催化性能。结果表明，叶酸修饰后的纳米颗粒在降解抗生素方面表现出更高的效率，这为开发新型、高效的光催化剂提供了重要的理论依据和技术支持。然而，尽管实验室规模的实验结果令人鼓舞，该方法在实际应用中的可扩展性仍需进一步研究。

当前，实验室条件下的合成过程通常需要精确控制温度、pH值和反应时间，而大规模应用则需要优化这些参数以提高生产效率并降低成本。此外，纳米颗粒在实际废水中的行为可能受到多种因素的影响，如pH值、污染物浓度、光照强度等，因此在实际应用前，还需进行更全面的性能测试和环境适应性研究。

### 未来研究方向

未来的研究可以围绕以下几个方面展开：首先，探索不同植物提取物对纳米颗粒性能的影响，以找到最适合特定污染物的绿色合成方法；其次，研究纳米颗粒在不同环境条件下的稳定性，确保其在实际应用中不会发生团聚或失效；最后，开发更高效的回收和再利用技术，以减少纳米材料在环境中的残留风险。

综上所述，本研究不仅为环境修复领域提供了一种新的纳米材料，也为绿色化学和可持续技术的发展贡献了重要成果。随着相关技术的不断进步，这类纳米材料有望在未来成为解决制药废水污染问题的关键工具。