通过电荷载流子动力学增强Cu掺杂MgO纳米颗粒的光催化和介电行为

《Materials Chemistry and Physics》：Enhanced photocatalytic and dielectric behaviour of Cu-doped MgO nanoparticles via charge carrier dynamics

　　

• •
  通过简单沉淀法合成的铜掺杂MgO纳米颗粒。
• •
  铜掺杂通过缺陷态将MgO带隙从5.07 eV降低至2.69 eV。
• •
  C3样品在紫外光下对亮绿染料的降解率达94.8%。
• •
  由于缺陷和空位的存在，介电常数增加至2452。
• •
  铜掺杂实现了光催化和介电性能的双重增强。

引言

近年来，具有低介电损耗和高介电常数的金属氧化物在储能、超级电容器、传感器、晶体管和催化剂等方面的应用引起了研究人员的关注。氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）、氧化铜（CuO）、氧化铁（Fe₂O₃）、二氧化硅（SiO₂）和氧化镁（MgO）是重要的金属氧化物纳米颗粒之一[1], [2], [3]。最近，人们制备并研究了新型金属氧化物纳米材料，以在具有改进的电气和存储容量的电子器件中制造高K电介质。具有降低的介电损耗的高K介电金属氧化物可减少器件漏电流问题[4]。目前正在对复合材料、掺杂纳米材料和纳米级金属氧化物合金的合成进行大量研究，以生产具有更好性能的有效材料，用于光电子学、抗菌、传感器、有毒废物修复材料等更广泛的应用[5]。

城市化和工业化的发展是全球水源污染的主要原因[6]。在这些污染物中，合成染料是水污染的主要来源。纸浆、造纸和纺织行业的废水是残留染料污染的最大来源。这些毒素不可生物降解、颜色深且化学性质稳定。此外，农药、除草剂和酚类是化学工业排放到水体中的有毒和致命化合物之一[7]。大多数纺织公司排放重金属作为原材料、酸性气体、有毒烟雾和有机染料，严重污染土地和水[8]。有机染料影响水质，因为它们减缓光合反应、阻止光线穿透水体、降低光合作用活性并造成缺氧。此外，某些化学染料，如偶氮染料，可能具有致癌和致突变特性[9]。纺织工业使用大量合成染料，这些染料因其化学稳定的结构而对环境有害。三芳基甲烷染料，包括亮绿染料（BG），因其稳定性而广泛用于食品、造纸和纺织行业[10]。为了减少三芳基甲烷染料在废水中的有害影响，对其处理和管理的研究有所增加。

废水通过各种传统技术进行处理，但这些技术无法完全分解染料[11]。因此，使用半导体金属氧化物对染料进行光降解是一种有前景的废水净化技术。该方法在降解各种污染性和不可降解染料方面表现出显著活性，且无需复杂技能。在光照射下进行光催化活性是去除废水中染料的一种合适选择[12]。

MgO，也称为方镁石，其摩尔质量为40.31 g/mol，密度为3.58 g/cm³，晶格参数为4.21 ?[13]。在MgO中，镁离子和氧离子排列在类似于氯化钠（NaCl）结构的面心立方（FCC）晶格中，使其具有Fm-3m空间群的岩盐结构[14]。MgO具有3.5 eV至7 eV的宽带隙、低硬度、低电导率、高熔点，以及在可见光谱中约90%的光学透明度，这些特性使其在半导体技术中具有巨大潜力[15], [16]。此外，由于其易于获取、生物相容性、经济性、无毒性以及优异的化学和物理稳定性，它是各种应用中备受追捧的材料[17]。MgO广泛用于许多工业、催化、医药和农业应用，被认为是一种环保物质[18]。然而，其宽带隙和高的光生载流子复合速率限制了MgO在实际应用中的光催化活性[19]。已经证明，过渡金属掺杂可以通过引入带内能态来克服这些限制，从而缩小带隙并降低电子-空穴对复合速率[20]。掺杂金属包括Ag[21]、Fe[22]、Ni[23]、Cr[24]、Cu[25]、Y[26]和Zn[27]。

在各种掺杂剂中，Cu引起了极大的关注，因为它可以有效地修饰晶格、产生缺陷态并改善电荷传输行为，而不会显著改变宿主晶体结构。最近对氧化物纳米材料的研究表明，Cu的掺入会导致晶粒尺寸、晶格应变、缺陷密度、光吸收、介电行为和电导率的变化，从而增强其在光电、光催化、传感和能源相关应用中的适用性[28], [29], [30]。这些研究强调了结构演化与功能性质之间的强相关性，强调了理解氧化物半导体中缺陷工程的重要性。

尽管几项研究报告了Cu掺杂MgO纳米颗粒的光催化性能，但Cu诱导的缺陷态在控制MgO双重功能中的作用，特别是光催化活性与介电行为之间的相关性，仍很大程度上未被探索[31], [32], [33], [34]。在本研究中，系统研究了Cu掺杂对MgO纳米颗粒光催化降解亮绿（BG）染料和介电极化特性的影响。将Cu离子掺入MgO晶格中引入缺陷态并显著改变电子能带结构，导致带隙调节、增强的光吸收和改善的光催化效率。同时，Cu掺杂改变了MgO基体中的极化机制，导致介电响应和交流电导率的显著变化。

尽管有许多关于过渡金属掺杂氧化物半导体的报道，但对Cu浓度对MgO纳米颗粒结构演化、缺陷形成、光学带隙调节和电学行为影响的系统理解仍然有限。在本研究中，通过简单的化学路线合成了具有不同Cu浓度的Cu掺杂MgO纳米颗粒。使用XRD、FESEM、UV-Vis光谱和电学表征系统研究了它们的结构、形貌、光学和电学性质。建立了Cu诱导的结构改性、降解效率和介电性质之间的相关性。所得功能性质为未来光电和电子应用中MgO基材料的设计提供了有价值的见解。

章节片段

材料

采用化学沉淀法合成纯MgO和Cu掺杂MgO（Cu_xMg_1-xO）（x = 0.025、0.05、0.075和0.1 wt%）纳米颗粒。用于合成的前驱体材料为六水合硝酸镁（Mg(NO₃)₂·6H₂O）和六水合硝酸铜(II)（Cu(NO₃)₂·6H₂O）。按化学计量比混合盐类。

合成

将0.5 M氢氧化铵溶液逐滴加入连续搅拌的1 M硝酸镁水溶液中。发现

结构性质

图1a显示了MgO和Cu掺杂MgO纳米颗粒的X射线衍射图谱。纯MgO样品呈现立方结构，空间群为Fm-3m，与JCPDS No. 71–1176匹配良好[35]。XRD图谱中不存在额外峰表明制备的样品是纯的。由于Cu浓度极低，Cu掺杂MgO样品呈现出与MgO相似的峰。Cu²⁺（0.73 ?）的离子半径略大于Mg²⁺（0.72 ?），

结论

通过简单沉淀法合成了不同Cu重量百分比的纯MgO和Cu掺杂MgO纳米颗粒。XRD图谱中观察到的峰向更低θ值偏移证实了Cu原子掺杂到MgO基体中。Cu²⁺离子已取代晶格中的Mg²⁺并产生了氧空位。结构、形貌和元素分析支持了掺杂样品的正确形成。BET分析显示具有H3型滞后回线的IV型行为。

CRediT作者贡献声明

Jayadev Pattar: 写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理。 Akshita C. Huggi: 形式分析，数据管理。 S. Sarvesh Chandra: 写作 – 原稿，方法学，形式分析。 Abhishek Hiremath: 验证，调查，数据管理。 R. Sreekanth: 可视化，验证，方法学。 K. Mahendra: 可视化，验证，概念化。 I. Yashodhara: 验证，资源。

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

我们声明在撰写本稿件时未使用任何生成式AI或任何AI技术。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢班加罗尔REVA大学提供的研究设施支持。

Jayadev Pattar|Akshita C. Huggi|S. Sarvesh Chandra|Abhishek Hiremath|R. Sreekanth|K. Mahendra|I. Yashodhara