绿色合成镍纳米颗粒还原致癌性六价铬：环境修复的可持续策略

本研究针对水体中致癌性六价铬(Cr(VI))污染问题，开发了利用 Tulsi 种子提取物绿色合成镍纳米颗粒(Ni NPs)的新型修复技术。通过系统表征证实合成了高纯度FCC结构Ni NPs，批实验表明在pH=2条件下20分钟内即可实现Cr(VI)的完全还原，反应符合一级动力学模型(R2>0.9764)，且Ni NPs可磁分离回收并保持5次循环的稳定活性，为重金属污染治理提供了绿色高效的解决方案。

　　

工业废水中的六价铬(Cr(VI))污染是当今世界面临的重大的环境挑战，这种强氧化性物质不仅具有高毒性、高迁移性，更是国际公认的致癌物质，可通过饮用水和食物链进入人体，引发呼吸道疾病、皮肤损伤甚至癌症。世界卫生组织明确规定饮用水中总铬含量不得超过0.05 mg/L，然而传统的铬污染处理方法如化学沉淀、吸附、离子交换和生物处理等，存在成本高、产生二次污染或效率受限等问题。因此，开发高效、可持续的铬污染修复技术迫在眉睫。

纳米技术的兴起为环境修复带来了新机遇。相比传统的零价铁，镍纳米颗粒(Ni NPs)展现出更优异的导电性和电子传输能力，在氧化还原反应中能显著提升Cr(VI)还原效率，且具有更强的抗腐蚀性和水环境稳定性。特别是绿色合成法制作的Ni NPs，利用植物提取物作为还原剂和稳定剂，避免了有毒化学试剂的使用，符合绿色化学原则，为可持续纳米技术的发展提供了新路径。

在这项发表于《Sustainable Chemistry for the Environment》的研究中，印度浦那M.C.E. Society’s Abeda Inamdar高级学院的Aiman Shaikh、Viquar Shaikh、Yusufi Mujahid、Khursheed Ahmed和Kailas Doke团队，通过绿色合成方法制备了镍纳米颗粒，并系统评估了其对Cr(VI)的还原效能与机制。

研究人员采用本地采集的Tulsi（奥勒冈圣罗勒）种子提取物作为生物还原剂，与硝酸镍溶液反应合成了Ni NPs，并通过FE-SEM、TEM、EDS、XRD、XPS和FTIR等多种技术对纳米颗粒进行了全面表征。通过批实验考察了Ni NPs投加量、初始Cr(VI)浓度、pH值和接触时间等因素对还原效率的影响，并使用紫外-可见分光光度法监测Cr(VI)浓度变化，通过动力学模型分析反应机制。

3.1. Structural analysis (Powdered X-ray diffraction)

XRD分析显示合成的Ni NPs具有面心立方(FCC)结构，在2θ为44.56°、51.92°和76.48°处出现特征衍射峰，分别对应(111)、(200)和(220)晶面，与JCPDS标准卡(00-004-0850)高度一致。Scherrer方程计算平均晶粒尺寸为37.56 nm，晶格常数计算值为3.519 ?，表明获得了高纯度、单一相的Ni NPs。

3.2. Morphological studies (FE-SEM and TEM)

FE-SEM显示Ni NPs呈球形或类球形，尺寸分布均匀(20-80 nm)。TEM进一步证实了颗粒的球形形态和中等分散度，平均尺寸约30-40 nm，部分存在团聚现象。

3.3. Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDS)

EDS分析显示在0.851 keV (Ni Lα)和7.478 keV (Ni Kα)处有强峰，确认镍为主要成分。在0.525 keV (O Kα)和0.277 keV (C Kα)处的弱峰表明表面存在轻微氧化。元素映射显示了镍及其他元素在纳米颗粒表面的分布情况。

3.4. FTIR analysis

FTIR光谱在524、571和651 cm^-1处的吸收峰对应Ni-O伸缩振动，证实了表面氧化层的存在。2300-1900 cm^-1区域的弱吸收峰归因于吸附CO₂的C=O键振动，整体较弱的吸收表明Ni NPs纯度较高，有机污染物极少。

3.5. XPS Analysis

XPS分析显示Ni 2p_3/2和Ni 2p_1/2结合能分别为856.3 eV和873.9 eV，并伴有明显的震激卫星峰，这是Ni²⁺物种(NiO或Ni(OH)₂)的典型特征。O 1s谱证实了表面羟基和部分氧化镍的存在，表明纳米颗粒表面形成了氧化层。

3.6. Effect of pH on reduction of Cr (VI) by Ni NPs

pH值对Cr(VI)还原效率有显著影响。酸性条件(pH=2)下还原效率接近100%，因为HCrO₄^-比CrO₄^2-具有更高氧化电势，且质子(H⁺)促进了电子转移过程。反应机制为：Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 3Ni⁰ → 2Cr³⁺ + 3Ni²⁺ + 7H₂O。AAS检测表明反应后Ni²⁺溶出量低于0.35 mg/L，说明仅有少量表面镍被氧化。

3.7. Effect of amount of Ni NPs

Ni NPs投加量显著影响还原效率。当投加量从0.005 g增加至0.04 g时，还原效率随之提高，因为增加了可用表面积和活性位点。确定最佳投加量为0.01 g，既能保证高效还原，又避免材料浪费。

3.8. Effect of Cr (VI) concentration and contact time

还原效率随接触时间增加而提高，20分钟内即可达到显著还原效果。动力学分析表明反应符合一级动力学模型，在不同初始浓度(40、50、80 mg/L)下均获得高线性回归系数(R²>0.9764)。与文献报道的多种镍基纳米复合材料相比，本研究中的绿色合成Ni NPs表现出更优异的还原性能，在0.2 g/L剂量下20分钟内即可实现完全还原。

循环实验显示，Ni NPs在5次连续使用中保持99%以上的还原效率，且可通过磁性分离简单回收，展示了良好的稳定性和可重复使用性。

该研究通过绿色合成方法成功制备了高纯度、高活性的镍纳米颗粒，并证实其在酸性条件下对Cr(VI)具有高效还原能力。反应遵循一级动力学模型，最佳pH为2，20分钟内即可实现Cr(VI)的完全还原为低毒性的Cr(III)。Ni NPs表现出优异的稳定性和可重复使用性，经5次循环后仍保持高效活性，且可通过磁性分离方便回收。

这项研究的意义在于开发了一种环境友好、成本效益高的重金属污染修复技术，避免了传统化学合成方法中有毒试剂的使用，符合绿色化学原则。绿色合成的Ni NPs不仅为Cr(VI)污染治理提供了高效解决方案，也为可持续纳米技术在环境修复中的应用提供了重要实践案例，对环境保护和公共健康具有重要价值。