综述：氧化镁纳米结构多功能应用研究综述：从材料科学到环境及农业创新

《RSC Advances》：A review on multifunctional applications of MgO nanostructures: from material science to environmental and agricultural innovations

　　

研究人员指出，利用植物提取物和生物废弃物开展氧化镁纳米颗粒（MgO NPs）的绿色合成，是传统合成方法的可持续替代路径。氧化镁由Mg2+与O2?离子构成的晶格组成，具有吸湿性，是一种白色固态矿物，在技术领域应用广泛。该类纳米颗粒在农业、药物递送、环境修复、抗菌处理及超级电容器技术等多学科领域展现出多功能应用潜力。既往研究已报道溶胶-凝胶法、火焰合成法、水热法等多种合成工艺，本综述重点聚焦绿色合成策略。绿色合成工艺中，植物提取物同时充当金属氧化物纳米颗粒形成与稳定过程中的还原剂与封端剂。生物合成的MgO NPs具备形貌可控、比表面积大、粒径分布可调及稳定性增强等特性，使其在应对当代环境挑战与推进储能技术发展方面具有重要应用前景。本综述批判性分析了生物合成MgO NPs的最新研究进展，阐明了绿色合成相较于传统方法的优势，并指出了该快速发展领域的关键研究空白与未来研究方向。

1 Introduction

纳米技术与纳米结构材料是21世纪发展最为迅速的领域之一，广泛应用于医学、储能、材料科学、环境科学、信息技术及生物技术等领域。其核心驱动力在于材料在纳米尺度可表现出微观与宏观尺度不具备的特殊性能。学界普遍将粒径不超过100 nm的材料定义为纳米颗粒，其已在涂料、石化产品、电子器件、纤维板、金属陶瓷及催化等产业中得到广泛应用。纳米结构因极高的比表面积、高原子占比及极小尺寸被视为特殊功能材料，可按维度（0D–3D）、形貌（纳米球、纳米薄膜、纳米管、纳米带、纳米棒、纳米线）、状态（各向同性、悬浮液、团聚体）及化学成分（有机、无机、单组分、复合材料）分为四类。有机基纳米结构如铁蛋白、脂质体、胶束及树状大分子具有优异的生物相容性，是药物递送的理想载体；无机材料则主要包括金属基与金属氧化物基材料，其中金属基纳米材料以Au、Cu、Se、Ag等元素为基材，应用于化妆品、化工、食品制造、基因转染及热消融等领域。金属氧化物纳米颗粒具有宽带隙、低介电常数、低折射率、良好化学稳定性及未占据氧位点等特征，而MgO NPs因资源丰富、无毒、成本低廉、无臭、稳定性强、磁性强、结晶度高、吸附性好、导电导热性能优异、化学计量比可控、比表面积大及反应活性高等优势备受关注，已成为纳米医学研究的前沿方向。氧化镁（MgO）、氧化铁（FeO）、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）、氧化铜（CuO）、氧化银（Ag₂O）及氧化镍（NiO）是单金属氧化物家族的典型代表。新兴的绿色纳米技术通过减少有害化学品使用降低生态环境风险，植物提取物中含有的碳、氢、氮及黄酮类、生物碱、酚类等植物化学物质，可与金属盐反应生成具有不同粒径、形貌及比表面积的纳米颗粒。近年来MgO NPs绿色合成研究快速增长，本综述系统梳理了橙皮、番木瓜叶提取物、印楝叶、胡芦巴（Trigonella foenum graecum）、菠菜提取物及蘑菇提取物等不同来源MgO纳米结构的制备工艺、结构特征与应用进展，重点讨论其最新研究成果与应用场景，同时指出结果重现性差、粒径形貌调控困难、生物合成机制不明确等问题，强调需标准化合成流程、深化机理研究，内容涵盖合成方法更新、结构与理化性质分析、能源农业生物医学环境领域的多功能应用，以及当前局限性与未来研究方向的系统性总结。

2 Various methods of preparing MgO NPs

2.1 High energy ball milling (HEBM) technique for large-scale nanomaterial synthesis

高能球磨法（HEBM）又称机械研磨、机械碾磨或机械合金化，可实现大规模纳米材料制备，所得颗粒粒径范围为4–26 nm。该方法虽伴随化学反应以提升反应活性，但存在气氛污染与磨介污染等问题。其在髋部植入物、骨螺钉等领域的广泛应用验证了工艺可靠性，且具有成本低、易放大生产等优势，不过研磨过程中氧气或氮气可能参与反应生成氮化物。合成过程受多重参数影响：延长研磨时间可获得更细粒径；提高转速可增强冲击作用力进而减小粒径；更小尺寸的磨球可提升研磨效率但增加磨介污染风险；更高的球料比可加快研磨速率但降低整体效率；容器尺寸与形状会影响研磨介质的分散与作用效果。球磨过程主要通过冲击研磨与尺寸减小两种机制实现：磨球在容器内旋转时与物料碰撞产生局部高压与剪切力，持续摩擦磨损物料表面与棱角实现尺寸缩减，最终将物料破碎至纳米级。

2.2 High-throughput synthesis of MgO NPs by flame spray pyrolysis technique

火焰喷雾热解法（FSP）是快速制备MgO NPs的高效方法，具体流程为：将1 M六亚甲基四胺溶液与1 M硝酸镁溶液在室温下持续搅拌10 min混合，随后注入喷雾热解腔室。反应单元采用内径约0.6 mm、外径约1 mm的毛细管，配合高压气体辅助的精细喷嘴实现溶液雾化，雾化液滴经火焰支撑燃烧，最终在SiO₂基底上收集产物，通过流量控制器调节溶液喷射速率。FSP系统常用双流体喷嘴作为雾化器，配合预混式燃烧器实现燃料与氧化剂混合，通过调节前驱体金属浓度与燃烧焓直接控制粒径，产物通过滤膜或基底收集。

2.3 Hydrothermal synthesis route for MgO

水热合成法以六水合硝酸镁（Mg(NO₃)₂·6H₂O）为前驱体、氢氧化钠（NaOH）为沉淀剂、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为表面活性剂：将硝酸镁溶液逐滴加入氢氧化钠溶液，调节pH至10.2后持续搅拌60 min，待白色沉淀生成后转移至聚四氟乙烯反应釜进行水热处理，沉淀经乙醇与水洗涤、烘箱干燥后置于马弗炉煅烧，冷却后经玛瑙研钵研磨得到粉末。无CTAB调控时，氢氧化镁前驱体易发生无控成核生长，导致颗粒团聚、形貌不均、粒径分布宽且表面活性低；CTAB作为阳离子表面活性剂可降低表面能、充当软模板，促进形成粒径均匀、孔隙率高、比表面积大的纳米颗粒，显著提升催化、光学及抗菌性能。除CTAB外，十二烷基硫酸钠（SDS）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、Triton X-100及吐温80等表面活性剂也可用于MgO NPs制备，其中CTAB因对粒径与分散性的优异调控能力成为高品质MgO NPs合成的首选。与其他合成方法相比，溶胶-凝胶法因可实现分子级前驱体混合、粒径（10–50 nm）与形貌精确调控、反应温度低、能耗小、产物结晶度高且比表面积大，成为实验室与工业化制备的主流工艺，但该方法对pH、温度、湿度控制精度要求极高，反应周期长，前驱体与溶剂成本较高，放大生产难度较大。共沉淀法需高温煅烧，易导致粒径不均、比表面积下降，难以制备复杂掺杂材料；水热法依赖高压反应设备，反应时间长、能耗高，颗粒易团聚；燃烧法高温易导致颗粒烧结、形貌失控，部分前驱体具有毒性或爆炸性；微波辅助法加热速率快易导致成核不均，设备成本高，仅适用于小规模合成。绿色合成则受限于植物提取物成分波动导致的批次差异、纯化难度大及粒径分布调控精度不足等问题。

3 Green synthesis strategies: economic and environmental benefits in nanotechnology

绿色合成可显著降低碳足迹，减少合成步骤与废弃物排放，降低废物处置与治理成本。植物介导合成因原料易获取、成本低廉，且可通过植物提取物或生物分子精准调控纳米颗粒的粒径、形貌与组成，产物适配环境修复、生物技术、医药等多领域需求，部分绿色方法还可提升反应速率与产率，减少昂贵试剂消耗。研究人员系统对比了不同植物源MgO NPs的合成参数与应用性能：印楝叶介导合成的MgO NPs呈棒状边缘形貌，对沙门氏菌、阴沟肠杆菌等革兰氏阴性菌及粪肠球菌、枯草芽孢杆菌等革兰氏阳性菌具有显著抑制作用；香蕉皮与树皮制备的MgO NPs粒径分别为168.7 nm与206.4 nm，兼具光催化、抗氧化、抗菌及细胞毒性活性；肉桂皮提取物介导合成的准球形MgO NPs对甲基橙的光催化降解率达95%；藻类提取物介导的共沉淀法制备的片状MgO NPs粒径为52–68 nm，对罗丹明B与亚甲基蓝的降解率达95%。典型绿色合成流程包括：橙皮废弃物经干燥粉碎、水提后得到提取物，与硝酸镁溶液混合后滴加碳酸钠调节pH至12，经离心、过滤、干燥得到MgO NPs；印楝叶经清洗干燥后制备提取物，与硝酸镁溶液在60–80 ℃下搅拌反应，溶液颜色由黄变棕黄表明MgO NPs生成；芒果、番木瓜与印楝叶粉末提取物与硫酸镁溶液在100 ℃下反应，颜色由绿变棕后经500 ℃煅烧得到产物；蘑菇提取物与0.1 M醋酸镁溶液在40 ℃下搅拌2 h，颜色变为浅棕色后经400 ℃煅烧4 h得到MgO NPs；西瓜、Jamun果与芦荟凝胶提取物作为燃料，与硝酸镁混合后经450 ± 5 ℃引燃，再经600 ℃煅烧2 h得到产物，还可进一步制备Zn²⁺掺杂与Ag掺杂MgO NPs。植物提取物中的蛋白质、单宁、生物碱、多酚、黄酮类及羧酸等植物化学物质通过氧化还原机制将金属离子从M⁺还原为M⁰，充当还原剂与封端剂，反应过程中的颜色变化指示纳米颗粒簇的形成。绿色合成具有可持续性、环境友好、常温反应、成本低、产量高、产物稳定性好、生物相容性优异等优势，但仍面临植物原料季节性供应受限、高温高压反应条件要求高、产率低、形貌不均、去除效率有限等挑战，同时存在反应周期长、批次差异大、生物组分规模化利用困难等问题，需开发可重复、低成本的规模化生产技术。

4 Applications of MgO NPs in various fields

MgO NPs凭借高比表面积、生物降解性与生物相容性在多领域展现应用潜力。

4.1 Magnesium oxide applications in the realm of agriculture

镁是叶绿素光合作用的关键宏量元素，可增强植物对磷、氮的吸收，维持细胞壁完整性，促进开花结果与作物增产。MgO NPs因低植物毒性、热稳定性、无遗传毒性及对人体无害等特性在农业领域备受关注，可促进花生等作物的幼苗生长，作为农业石灰改良土壤结构、降低酸度、强化根系，其抗菌抗真菌特性可减少土传病害，降低合成农药依赖，推动有机农业发展。绿色合成的MgO NPs兼具纳米肥料与纳米农药双重功能，可提升作物产量、防控病虫害，抑制烟草青枯病菌（Ralstonia solanacearum）的生长与生物膜形成，温室试验证实其可显著提升植株生物量与株高。负载MgO NPs的棉纤维可用于病害管理、植物修复、纳米农药施用与种子萌发，相关涂层纺织品的紫外线防护系数（UPF）超过50，适用于园艺、遮阳网、防虫鸟网及地膜等场景，减少水分吸收约170%。竹纤维与MgO复合后可将土壤强度与刚度提升，尤其在纤维掺量为1.2%时效果显著，同时可提升农业纤维材料的拉伸强度与耐久性，促进有益微生物活性，增强作物对非生物胁迫的耐受性，降低重金属毒性，在土壤加固与可持续路面基层建设中具有重要应用价值。

4.2 Applications of MgO in the environment

与传统肥料农药相比，MgO NPs生物利用度高、施用量少、养分释放持久，可降低农业面源污染。其可通过叶面喷施、土壤改良或种子包衣等方式实现精准施用，提升资源利用效率。绿色合成的MgO NPs可降解为无害镁盐，对土壤微生物与非靶标生物毒性低，适合田间应用。在环境修复领域，MgO NPs可有效吸附SO_x、NO_x等酸性气体与挥发性有害物质，柴油发动机系统中添加MgO NPs可显著降低一氧化碳（CO）与NO_x排放。黑曲霉（Aspergillus carbonarius）D-1菌株合成的MgO NPs涂层纺织品对工业废水中的镍、镉、铅、铬等重金属去除率达87.06%，化学需氧量（COD）降低97.5%，同时显著降低pH、总溶解固体（TDS）、总悬浮固体（TSS）与电导率，GC-MS分析证实其可有效降解有机污染物。MgO的理论CO₂吸附容量达24.8 mmol CO₂g^?1，再生温度低于锂基、钙基吸附剂，是中温（473–673 K）CO₂捕集的理想材料。针对氟污染问题，MgO NPs因表面羟基丰富、吸附容量高、无毒、成本低、环境友好，对水中氟离子的去除效果优异。此外，MgO NPs可通过化学吸附去除H₂S，与活性炭复合后可实现室温下的物理化学协同吸附，提升脱硫效率。基于Syzygium aromaticum花提取物合成的MgO NPs对Fe³⁺的检测限为23 μM，对Pb²⁺的检测限为24 μM，可实现水体中重金属的高选择性检测；芦荟叶提取物合成的MgO NPs对1000 ppm液化石油气（LPG）的传感灵敏度达38%，在气体泄漏监测中具有重要应用价值。

4.3 Applications of MgO that are antibacterial and antimicrobial

MgO NPs的抗菌机制主要包括活性氧（ROS）生成、纳米颗粒与细菌细胞膜接触损伤及碱性效应。其表面产生的超氧阴离子（O₂^?）可破坏细菌细胞壁，粒径小于15 nm时团聚效应会降低抗菌效率。研究表明，MgO NPs对大肠杆菌（E. coli）的最低抑菌浓度（MIC）为500 μg mL^?1，对铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）与金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的MIC为1000 μg mL^?1，对革兰氏阳性菌的抑制效果优于革兰氏阴性菌。微波燃烧法合成的MgO NPs抗菌活性最强，其产生的ROS（H₂O₂、O₂^?、·OH）可氧化膜脂质、变性蛋白质、损伤DNA，静电作用导致细胞膜结构破坏与胞内物质泄漏。PPy–MgO–碳纳米管（CNT）复合材料对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）与PAO1的抑制圈分别达4.0 mm与3.0 mm，UPF值为30。MgO NPs嵌入聚偏氟乙烯（PVDF）电纺纤维膜制备的智能伤口敷料兼具抗菌与压电传感功能，可响应外部刺激监测伤口愈合进程。其对水稻细菌性褐条病菌（Acidovorax oryzae）与青枯病菌具有显著抑制作用，MgO纳米花因高比表面积与丰富活性位点，抗菌效能进一步提升，可减少化学农药使用。此外，MgO NPs还可抑制生物膜形成，对抗抗生素耐药菌株，应用于牙科卫生产品、食品包装与医疗设备涂层，提升食品安全与医院感染防控水平。

4.4 Versatile heterogeneous base catalyst in industrial

MgO表面的O^2?阴离子位点可作为固体碱催化剂，通过调控合成工艺、煅烧温度与粒径可精准调节位点强度与密度，促进去质子化与亲核攻击反应，在酯交换、羟醛缩合、迈克尔加成等碱催化反应中表现优异，广泛应用于医药、农用化学品与生物燃料合成。与传统均相碱催化剂（NaOH、KOH）相比，MgO易分离回收、热稳定性高、无毒、成本低，纳米级MgO NPs因比表面积更大、碱性更强，可显著提升反应效率。在生物柴油合成中，MgO作为多相催化剂可避免皂化反应，实现循环使用；在石油化工领域，可催化乙醇脱氢制乙醛，作为Pt、Pd、Co等金属的载体提升蒸汽重整与甲烷氧化偶联（OCM）反应的稳定性与选择性。通过Ca、Al、Ce等金属掺杂可进一步提升其催化活性、选择性与抗失活能力，在PET塑料解聚、生物质转化、废食用油制备生物柴油等可持续化学转化过程中具有重要应用价值，是下一代绿色催化与循环经济的核心材料。

4.5 MgO in supercapacitor applications

MgO具有高比表面积、多孔可调、化学与热稳定性优异等特性，是超级电容器的理想候选材料。但其本征电导率低，需与还原氧化石墨烯（rGO）、CNTs、导电聚合物等复合提升电子传输能力。MgO/rGO复合材料兼具高比表面积与优异电荷转移性能，MgO–MnO₂、MgO–NiO等赝电容复合材料比容量与功率密度显著优于单一组分，MgO的缓冲作用可抑制循环过程中的体积膨胀与结构退化，提升循环稳定性。植物提取物介导的绿色合成MgO NPs表面富含官能团，可提升电解质浸润性，电化学性能优异。循环伏安（CV）测试显示其具有典型的氧化还原赝电容特征，电化学阻抗谱（EIS）表明Jamun果提取物合成的MgO NPs电荷转移电阻最低，电容性能最优。恒电流充放电（GCD）测试证实其具有良好的倍率性能与循环稳定性。钒掺杂MgO NPs的比容量可达50 F g^?1，与炭黑复合后可达1200 F g^?1，MgO/聚苯胺（PANI）/氮化硼纳米管（BNNTs）三元复合材料比容量超过2000 F g^?1，能量密度达40 Wh kg^?1。MgO基超级电容器成本低廉、环境友好、易规模化生产，是下一代高性能储能器件的重要发展方向。

5 Challenges and future prospects

MgO NPs绿色合成面临的核心挑战包括：植物提取物成分波动导致的批次差异、粒径形貌不可控、小试规模难以放大、纳米颗粒易团聚失稳、复杂形貌表征难度大、毒性与生物相容性评价不足等。未来需通过标准化提取与反应参数、采用高分辨电子显微镜与光谱学等先进表征技术、优化反应器设计与放大工艺、高通量筛选合成条件等方式突破瓶颈。MgO NPs在药物递送、医学成像、组织工程、癌症治疗、空气污染控制、土壤修复、可持续农业及储能器件等领域的应用潜力巨大，其与纺织品的复合技术（轧染法、浸涂法、喷涂法、溶胶-凝胶浸渍法等）已实现抗菌、抗紫外、智能传感等功能集成，为多功能纺织品开发提供了新路径。随着纳米安全监管框架的完善，MgO NPs将在多学科领域实现更广泛应用。

6 Conclusions

传统物理化学合成方法的环境负面影响推动了金属氧化物纳米颗粒绿色合成的发展，MgO因优异的理化性质、稳定性、生物相容性与高比表面积成为研究热点，在环境修复、废水处理与抗菌领域应用前景广阔。本综述系统对比了传统合成与绿色合成策略，证实植物提取物介导的MgO NPs合成可实现粒径可控、低毒、表面相互作用增强与重现性提升，同时减少有害副产物生成，为纳米技术的可持续发展提供了重要支撑。