《Electrochimica Acta》：Plant-extract-assisted combustion synthesis of Eu3+-doped ZrO
2 nanomaterials for multifunctional photocatalytic, and electrochemical sensing applications
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摘要采用绿色燃烧法，利用三叶香草（墨西哥薄荷）提取物作为生物燃料，合成了纯相及铕掺杂氧化锆（ZrO2:Eu3+）纳米材料。对材料进行了结构、形貌、光学和电化学表征，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、漫反射光谱（DRS）、光催化测试以及循环伏安法（CV）。DR
摘要
采用绿色燃烧法，利用三叶香草（墨西哥薄荷）提取物作为生物燃料，合成了纯相及铕掺杂氧化锆（ZrO2:Eu3+）纳米材料。对材料进行了结构、形貌、光学和电化学表征，包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、漫反射光谱（DRS）、光催化测试以及循环伏安法（CV）。DRS分析表明该材料的带隙（Eg）为3.25 eV，这归因于生物提取物诱导的缺陷态。在光照条件下，优化后的纳米材料表现出光催化活性，对结晶紫染料的降解率高达81%。在KOH电解质中，5 mol% Eu3?掺杂的ZrO?修饰碳糊电极的电化学测量表明其电荷存储动力学主要为表面控制，幂律指数为（b=1.01）。此外，还研究了该电极对葡萄糖的电化学响应以及在Li?SO?电解质中的行为。同时，对该电极的葡萄糖氧化初步电催化响应及其在Li?SO?电解质中的循环伏安行为进行了评估。这些多功能特性表明，合成所得的生物燃料辅助ZrO2:Eu3+纳米材料是环境催化和电化学传感应用的有前景的候选材料。
引言
在过去的几十年中，由于纳米材料在能量存储器件、催化活性、生物医学应用和环境修复等方面具有多方面的应用，纳米尺度上的材料操控在纳米技术领域越来越受到关注 [1]。遍布整个生态系统的纺织业和其他使用染料的行业每年向水源中排放数百万吨染料废物。过去几十年来，光催化领域经历了令人瞩目的研究与开发，旨在应用于环境修复程序。光催化是处理废水源中有机和无机毒素的突出方法之一 [2]。
各种纳米材料、纳米复合材料和金属氧化物纳米材料被用于光催化。在众多纳米材料中，半导体金属氧化物纳米颗粒如二氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO2）[[3], [4], [5]]以及二氧化锆（ZrO2）[6]因其宽带隙而备受青睐。ZrO2因其宽带隙、高稳定性、高催化活性、适宜氧化还原电位以及高表面积与体积比而备受关注。ZrO2具有多种应用，包括环境监测 [7]、催化 [8]和抗肿瘤活性 [9]、抗菌效果、防腐 [9]、牙科植入物应用 [10]以及电化学传感器 [11]。
氧化锆（ZrO?）是一种n型半导体，具有约5.0 eV的宽带隙。金属离子掺杂对氧化锆的结构和光学性质有显著影响，包括晶粒尺寸、相组成和带隙能量。这些变化主要源于晶格缺陷的形成，主要是氧空位，从而改变了材料的电子结构和理化特性 [12]。在众多金属离子掺杂剂中，稀土掺杂剂在改善电荷分离、表面活性、可见光响应和羟基自由基生成方面至关重要 [13]。
目前报道了多种金属氧化物纳米材料的合成方法，如溶胶-凝胶法、水热法、绿色合成法和激光烧蚀法 [[14], [15], [16], [17]]。在各种合成方法中，绿色合成法因其可持续性、环保性及诸多优势而备受青睐。
废水处理采用了多种方法，如反渗透、吸附和化学絮凝等，但这些方法在降低染料浓度或完全去除有毒产物方面仍存在不足。使用催化剂还原染料是最重要的技术之一。纳米催化剂因具有高比表面积、良好的热稳定性、优异的生物相容性等特点，是最适合催化的材料 [[18], [19], [20]]。吸附、反渗透和化学絮凝等方法已被用于废水处理，尽管这些方法通常不足以完全去除染料或将染料降解为低毒性产物。在现有的处理途径中，催化降解染料已被证明是最有效的方法。纳米催化剂由于具有高比表面积、优异的热稳定性、增强的催化活性和良好的生物相容性，特别适用于此目的，使其成为废水处理修复的高效能材料。
先前的研究已经证明了纯相和掺杂ZrO?基材料在光催化污染物降解方面的潜力，而ZrO?基复合材料已被研究用于葡萄糖、多巴胺和尿酸等分析物的电化学传感。然而，这些材料的光催化和电化学性能取决于其组成、合成策略和特定应用特性。表1中列出了先前报道的ZrO?基材料及其光催化和电化学传感性能的对比概述 [[21], [22], [23], [24], [25], [26]]。
本研究的创新性在于开发了一种简单且可持续的绿色燃烧法，利用三叶香草（墨西哥薄荷）叶提取物作为植物来源的有机燃料来合成Eu3?掺杂的ZrO?纳米颗粒。该提取物含有多种有机植物化学成分，包括酚类、类黄酮、萜类相关化合物和其他含氧化合物，这些成分可以促进金属离子络合并作为热处理过程中的燃料。加热时，这些有机成分发生分解，并与硝酸盐前驱体参与放热氧化还原反应，促进燃烧、成核以及均匀分布的纳米颗粒的形成。因此，本研究展示了三叶香草提取物作为可再生生物燃料在稀土掺杂氧化物纳米材料绿色合成中的潜力，并为定制其结构和光学性质提供了一种可持续的方法 [[27], [28], [29]]。
章节摘要
材料与方法
使用硝酸锆六水合物（Zr(NO3)4·6H2O）、硝酸铕六水合物（Eu(NO3)3·6H2O）、绿色燃料和去离子水（DI）进行制备。所有化学品均直接购买使用，未经额外精炼。
结果与讨论
图1a展示了生物合成的纯相和铕掺杂ZrO2纳米颗粒的XRD图谱，确认形成了具有立方相的结晶性ZrO2。在30.37°、35.40°、50.45°、60.20°、62.91°和74.65°处观察到的衍射峰分别对应于(111)、(200)、(220)、(311)、(222)和(400)晶面，与标准JCPDS卡片编号50-1089中报道的四方相ZrO2（P4?/nmc）一致。通过Rietveld方法获得
结论
本研究报道了通过绿色的、三叶香草（墨西哥薄荷）提取物辅助的溶液燃烧法成功制备纯相及Eu3+（1-7 mol%）掺杂ZrO2纳米材料的结果。DRS分析表明Eu3+（1-7 mol%）掺杂ZrO2纳米材料的光学带隙为3.25 eV，这显著窄于块体ZrO2（5.0-5.8 eV），原因是生物提取物诱导的氧空位（Vo）和结构缺陷态在导带下方形成了局域化的中间带能级。该
作者贡献
G.K.M.提出了研究构想、进行实验、分析数据并撰写初稿。L.R.、N.H.P.、R.N.、N.A.、D.K.N.和P.S.C.参与了调查研究、数据解释、手稿审阅和编辑工作。所有作者均已审阅并批准了最终手稿。
数据可用性声明
支持本研究发现的数据可向通讯作者合理索取。
CRediT作者贡献声明
Girish KM： 写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、验证、监督、方法论、调查研究。Lavanya R： 写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、方法论、调查研究、数据整理、概念化。Basavaraju N： 可视化、方法论、形式分析、数据整理、概念化。Ravikumar CR： 验证、方法论、数据整理、概念化。Surendra BS： 可视化、验证、资源，
Girish KM|Lavanya R|Basavaraju N|Ravikumar CR|Surendra BS|Ashok Kumar MS|Rashmi Pattan|Gurushantha K
