《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Eco-friendly biosynthesis of titanium dioxide/silver nanoparticles (TiO
2@Ag NPs) for multifunctional cotton fabrics with UV-protection, antimicrobial, catalytic, photocatalytic, and SERS activities
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绿色合成TiO?@Ag纳米颗粒涂覆棉织物，实现UV防护、抗菌及光催化降解功能，且经十次洗涤性能稳定。
Mohamed Rehan|Amr A. Nada|Heba H. El-Maghrabi|Sahar Shaarawy|Mohamed S. Abdel-Aziz|Ahmed S. Montaser
纤维素基纺织品预处理与整理部门。纺织研究与技术研究所，国家研究中心，33 Bohoth Street，Dokki，P.O. Box 12622，吉萨，埃及
摘要
本研究报道了一种可持续且可扩展的方法，通过使用Psidium guajava叶提取物作为天然还原剂和稳定剂，通过绿色生物合成技术制备出具有多种功能性的棉织物。这些纳米颗粒通过浸涂-垫压-干燥-固化工艺被合成并涂覆在棉织物上，并利用多种分析技术进行了表征。TiO2@Ag纳米颗粒呈现出混合型的锐钛矿-金红石结构，其中银纳米颗粒（15–55 nm）分布均匀，带隙从TiO2的3.10 eV降低到TiO2@Ag纳米颗粒的2.89 eV，从而增强了其对可见光的响应性。涂层织物具有出色的紫外线防护性能（UPF 41 ± 1.82；UVA/UVB透射率分别为1.93%/1.76%），并且具有强大的抗菌活性：TiO2@Ag纳米颗粒3对S. aureus、P. aeruginosa和C. albicans实现了完全抑制，同时对A. Niger的抑制率为97 ± 1%；在成纤维细胞实验中，细胞存活率仍保持在85–90%。这些织物在紫外光和可见光照射下对对硝基苯酚的还原具有高催化效率，并能完全降解亚甲蓝。此外，还实现了对R6G的灵敏SERS检测（检测限低至10-6 M）以及原位光催化监测。经过十次洗涤循环后，其性能依然稳定。这项工作首次将番石榴提取物应用于TiO2@Ag的生物合成，为高性能多功能棉织物的生产提供了一种环保且具有工业可行性的途径。
引言
纤维素纤维（尤其是棉纤维）的功能改性因其潜在的应用前景而受到广泛关注，这些应用包括防护服装、环境修复、生物医学材料以及分析工具等领域[1]、[2]、[3]、[4]。在天然纤维中，棉纤维因其可生物降解性、经济性、柔软性和机械强度而特别受到青睐。然而，传统棉纤维缺乏某些高价值特性，因此研究人员正在不断探索如何赋予其紫外线防护[5]、[6]、抗菌[7]、[8]、光催化[9]、[10]、自清洁[11]、[12]、催化性能[13]、[14]、阻燃[15]、[16]以及基于表面增强拉曼散射（SERS）的分子检测[17]、[18]等功能。纳米技术为赋予纺织表面这些特性提供了有效且多用途的途径，尤其是通过整合金属和金属氧化物纳米颗粒（NPs）[19]、[20]、[21]。
这些纳米级材料具有独特的化学和物理特性，能够在不改变棉织物原有优良性能的前提下，赋予其抗菌、光催化、催化和SERS响应性[22]、[23]。此外，纳米材料的使用有助于纺织产业向可持续性发展，减少对传统整理化学品的依赖，降低能耗，并提高产品的效率和功能性[24]、[25]、[26]。在此背景下，以绿色化学原理为指导的绿色纳米技术正成为提升棉织物性能的更安全、更可持续的选择[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。
在用于纺织应用的多种纳米颗粒中，二氧化钛（TiO2[33]、[34]、[35]和银纳米颗粒（Ag NPs）[36]、[37]、[38]因其多功能性和生物相容性而备受关注。TiO2因其化学稳定性、低成本、良好的紫外线阻隔能力、强的氧化性能和抗菌效果而被广泛使用。它主要有三种晶体形式：锐钛矿、金红石和 Brookite，其中锐钛矿因具有较大的表面积和较高的反应性而在光催化中更受欢迎。TiO2纳米颗粒能够显著提升棉织物的光催化自清洁能力、抗菌活性、紫外线抵抗性和抗静电效果，并改善热稳定性[39]、[40]。这些优势源于TiO2独特的结构、光学和电子特性[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。然而，其高带隙能量（约3.2 eV）、有限的可见光吸收、快速的电子-空穴复合以及颗粒聚集等问题会限制其光催化效率。可以通过用各种金属和非金属元素掺杂TiO2或与贵金属结合来改善这些缺陷，从而提高电荷分离能力和可见光响应性[47]。特别是银纳米颗粒，被广泛用于增强TiO2的光催化性能。在可见光下，银纳米颗粒的表面等离子体共振（SPR）能够增加光吸收并促进电荷转移；TiO2–Ag界面形成的肖特基势垒有助于改善光诱导的电子-空穴对的分离，进一步提升光催化活性。此外，银纳米颗粒对多种病原体（包括革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌以及真菌）具有强烈的抗菌效果[48]。
因此，TiO2@Ag混合纳米结构作为一种高效的多功能剂应运而生，可用于污染物降解、生物医学防护和化学传感等领域[49]、[50]、[51]、[52]、[53]。将这些混合系统涂覆在纺织品和其他基底上，可以增强紫外线防护、抗菌性能、光催化作用、自清洁特性以及基于SERS的污染物检测能力[54]、[55]、[56]、[57]、[58]、[59]、[60]、[61]、[62]、[63]。然而，传统的TiO2、Ag和TiO2@Ag纳米颗粒合成方法（如水热法、溶胶-凝胶法、电化学法、超声波法和微波辅助法）通常涉及有害试剂、有毒溶剂和高能耗，这引发了健康和环境方面的担忧[48]、[64]。最近，利用植物提取物的生物合成方法因其简便性、经济性、生物相容性和可再生生物资源的利用而受到青睐[65]、[66]、[67]。各种植物化合物（如黄酮类、萜类、生物碱、单宁和叶绿素）既可作为还原剂也可作为封端剂用于纳米颗粒的制备。将这些生物合成的纳米材料嵌入纺织基底中，不仅提升了产品的安全性和环保性，也满足了消费者对更绿色、更健康产品的需求[68]、[69]、[70]。
本研究提出了一种可持续且具有工业可行性的策略，通过使用Psidium guajava（番石榴）叶提取物，通过绿色生物合成和直接纺织集成技术制备出智能多功能棉织物。尽管已有许多关于使用绿色方法合成TiO2和Ag纳米颗粒的报道，但本研究的创新之处在于将生物合成的TiO2@Ag纳米颗粒功能集成到一个可重复使用的纺织平台上，使其同时具备多种先进性能。富含多酚和黄酮的番石榴叶提取物在还原和稳定纳米颗粒的同时，还调控了它们的成核、分散和界面耦合，从而实现了在棉纤维上的均匀且持久的固定。与通过水热或溶胶-凝胶法制备的传统粉末基TiO2@Ag系统相比（这些系统通常存在回收率低、颗粒聚集和实际应用受限的问题），本文提出的浸涂-垫压-干燥-固化方法确保了良好的粘附性、洗涤耐久性和与现有纺织整理工艺的兼容性。更重要的是，该研究展示了一种多功能纺织结构，集成了紫外线防护、抗菌活性、光催化降解和SERS传感功能。TiO2与Ag之间的协同作用增强了可见光吸收和电荷分离，而纺织形式使得通过SERS实时原位监测染料降解成为可能——这是以往绿色TiO2@Ag系统中较少见的。总体而言，这项研究推动了绿色纳米材料向实际可应用的智能纺织领域的发展，提供了一个可扩展、成本效益高且环保的平台，适用于环境、分析和生物医学应用。
材料与化学品
番石榴叶（Psidium Guajava L.）购自埃及当地市场。棉织物（130 g/m2）由El-Mahla El-Kobra公司提供；四异丙氧基钛（TTIP，97%）和硝酸银购自Fluka化学品公司；亚甲蓝（MB）、罗丹明B（RB）和罗丹明6G（R 6G）购自Sigma-Aldrich（德国）。所有化学品和试剂均未经进一步纯化直接使用。
从番石榴叶中提取天然化合物
从健康的
从番石榴叶中提取生物活性化合物
从Psidium guajava叶中提取的植物化学物质被用作绿色合成二氧化钛（TiO2）和二氧化钛@银纳米颗粒（TiO2@Ag NPs）的环保还原剂和封端剂。提取过程使用乙醇和水的混合溶剂（70:30 v/v）进行，有效分离出了多种生物活性成分。所得提取物呈浅绿色，具有酸性
结论
本研究通过使用Psidium guajava叶提取物作为天然还原剂、稳定剂和封端剂，成功实现了TiO2和TiO2@Ag纳米颗粒的原位绿色生物合成，开发出了一种可持续的多功能棉织物平台。这种环保方法无需使用有毒化学试剂，生成的纳米颗粒涂层在棉基底上具有强粘附性，确保了长期的稳定性和洗涤耐久性。
CRediT作者贡献声明
Mohamed Rehan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、方法论设计、实验研究、概念构思。Amr A. Nada：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、方法论设计、实验研究、概念构思。Heba H. El-Maghrabi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、实验研究。Sahar Shaarawy：方法论设计、实验研究。Mohamed S. Abdel-Aziz：初稿撰写
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
感谢埃及开罗国家研究中心的技术支持。
