《Catalysis Today》：Green Synthesis of Iron Nanoparticles from Grape Seed Extract for Solar-Driven Photocatalytic Degradation of Auramine O Dye
乌克巴·埃尔代尔维什（Ukba Eldervi?）|阿卜杜拉·塔希尔·巴伊拉奇（Abdullah Tahir Bayra?）|塞伦·巴伊拉奇（Ceren Bayra?）
卡拉马诺卢·穆罕默德贝伊大学（Karamano?lu Mehmetbey University）生物工程系，土耳其卡拉曼（Karaman）
摘要
本研究探讨了利用通过Vitis vinifera（葡萄籽）提取物采用绿色合成路线制备的铁纳米颗粒（FeNPs）对Auramine O（AO）染料进行光催化降解的效果。使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了合成后的FeNPs以及经过600°C热处理的FeNPs的光学、结构和形态特性。数据表明，热处理促进了更结晶的赤铁矿相的形成，其带隙变窄（2.12 eV），但同时导致颗粒聚集加剧，光催化活性降低。相比之下，未经热处理的非晶态FeNPs（带隙2.29 eV）表现出更优异的光催化性能。这种增强的活性可能归因于残留的多酚封端层，该层保持了较大的活性表面积，并可能作为电荷转移介质，从而抑制电子-空穴复合。为考虑能源和环境可持续性，本研究在不同的自然日光条件和人工紫外光照射下评估了系统的性能。在最佳自然光照条件下，生物合成的FeNPs能够在较低浓度下实现几乎完全的AO降解，并且在高浓度（100 mg/L）废水的情况下，90分钟内仍保持超过96%的去除效率，显著优于人工紫外光系统（最高仅达到84%的去除率）。光催化效率在不同日变化的光照强度下保持稳定。降解动力学符合Behnajady-Modirshahla-Ghanbary（BMG）模型（R2 ≥ 0.999）。通过利用自然日光，这种植物介导的系统为可持续废水处理提供了一个高效、零能耗的光催化平台。
引言
纺织和造纸行业的快速发展导致大量含染料的废水排放到水生生态系统中。由于这些染料的化学稳定性，它们在极端物理化学条件下也难以自然降解，因此完全从环境中去除它们是一个挑战[1]、[2]。在这些新兴污染物中，阳离子二芳基甲烷碱性染料Auramine O（AO）引起了严重的环境关注[3]、[4]。由于其复杂的芳香结构，AO对自然生物降解具有很强的抵抗力，在水体中持续存在，严重阻碍了光合作用[5]。此外，AO还具有急性毒性、致突变性和潜在的致癌性，通过食物链对水生生物和人类健康构成直接威胁[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。从生理学角度来看，AO会与血红蛋白结合，严重损害血液的携氧能力[11]、[12]。因此，开发高效、节能且可持续的去除这类顽固有机污染物的技术已成为环境可持续性的关键优先事项[13]。为了有效净化废水，已经采用了多种修复技术，包括混凝[14]、膜过滤[15]、生物处理[16]、[17]和化学氧化[18]。在这些方法中，表面吸附和先进的光催化技术尤为突出，主要因其极高的经济可行性、高操作选择性和与可持续环境实践的高度契合[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。
先进氧化工艺（AOPs），特别是半导体驱动的异相光催化，已成为废水处理的有效策略[24]、[25]。该过程依赖于生成高活性氧物种（如羟基自由基和超氧阴离子自由基），这些物种能够将复杂的有机染料分子非选择性降解为无害的无机产物（如CO?和H?O）[26]、[27]。然而，光催化技术广泛工业应用的一个主要瓶颈是它们严重依赖能耗高的人工紫外线（UV）或可见光源。这些人工光源的运行导致较高的电成本，并留下显著的碳足迹，这与绿色修复的核心原则相矛盾。在这种情况下，利用零成本且环保的自然日光是一种关键的范式转变。因此，开发能够在动态实际条件下利用自然日光的光催化系统对于实现高效、可持续的污染物处理至关重要。
为了有效利用太阳能，基于铁的纳米颗粒（FeNPs）因适合吸收可见光、具有适当的带隙能量、可磁回收性强、天然丰度高和低成本效益而受到广泛关注[28]、[29]。大量研究验证了它们的强光催化潜力；例如，基于铁的纳米材料已在人工UV光和太阳光照射下成功用于多种有机染料和药物的快速降解[23]、[30]、[31]。传统上，FeNPs的制备采用物理化学方法，这些方法使用有害的还原剂和有毒的有机封端剂[32]，这与绿色化学和环境修复的原则相悖。为克服这一矛盾，“绿色合成”作为一种极具优势且可持续的替代方法应运而生[33]、[34]。绿色合成是一种环境友好且成本效益高的金属纳米颗粒制备方法，利用天然存在的植物化学物质作为还原和稳定剂。与传统化学合成方法相比，这种方法具有显著优势，包括消除有毒试剂、反应条件温和以及提高纳米材料的生物相容性。近期文献强调了使用多种植物基质（如葡萄籽[Vitis vinifera）成功生物合成FeNPs的研究——这些基质富含天然多酚、黄酮类化合物和有机酸，显示出出色的催化活性用于废水处理。利用葡萄籽提取物（富含多酚、黄酮类化合物和有机酸）作为生物来源，既可作为无毒的还原剂，又可作为封端剂，从而获得稳定、分散良好的催化剂，增强污染物吸附并促进界面电荷转移，直接支持零能耗修复技术的发展。选择葡萄籽提取物作为生物来源与其植物化学成分及其作为农业副产品的地位有关。文献中的植物化学分析表明，葡萄籽富含多酚、黄酮类化合物和有机酸。特别是，该提取物含有高浓度的单体酚酸（如没食子酸）、黄烷-3-醇（如(+)-儿茶素和(-)-表儿茶素）和聚合原花青素[40]、[41]、[42]。这些黄酮类化合物和有机酸中的羟基、羧基、醛基和氨基官能团可作为强效的非毒性还原剂，有效促进金属前体的生物还原，同时起到强大的封端作用[43]、[44]、[45]、[46]。这种有机分子的立体封装限制了纳米颗粒的无控制生长，无需使用有害的化学表面活性剂，同时利用了丰富的农业废弃物。
鉴于对可持续废水处理技术的迫切需求，本研究探讨了利用葡萄籽提取物绿色合成FeNPs以高效降解Auramine O的方法。为了阐明热处理对生物合成结构的影响并评估零能耗催化剂的潜力，系统地将合成后的FeNPs与600°C热处理后的FeNPs的光催化活性进行了比较。为了将可再生能源整合到环境修复中，本研究在受控的人工紫外光和实际自然日光条件下严格比较了光催化性能。为了展示实际应用性，还在真实的日变化条件下（早晨、中午和下午）监测了太阳光驱动的降解过程，以评估光照强度和环境温度的变化影响。最终，本研究旨在证明绿色合成的FeNPs结合自然日光，为新兴染料污染物的处理提供了一种高效、节能且可持续的解决方案。与本特刊关于可持续和零能耗环境修复的主题焦点一致，本研究明确强调了利用自然日光作为光催化的主要驱动力。通过避免依赖能耗高的人工UV/Vis光源，所提出的植物合成FeNP系统旨在充分利用自然光谱，从而满足对环保、可扩展和经济可行的废水处理技术的关键需求。
材料
三氯化铁六水合物（FeCl?·6H?O，≥98%）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。Auramine O（AO）染料（C??H??ClN?）由Merck（德国达姆施塔特）提供。葡萄籽（Vitis vinifera）从土耳其卡拉曼本地获取。种子用蒸馏水清洗以去除表面杂质，室温下干燥后研磨成粉末以便提取植物化学物质。所有水溶液和提取过程均使用蒸馏水。
FeNPs的绿色合成与表征
在本研究中，通过简便的绿色路线利用葡萄籽提取物合成了FeNPs。合成的纳米颗粒在600°C下热处理，未经热处理和热处理后的FeNPs均接受了UV-Vis光谱仪、XRD、FTIR和SEM的详细结构和形态表征。
使用UV-Vis光谱法研究了绿色合成的FeNPs和热处理样品的光学性质（图1）。
结论
本研究成功展示了一种潜在的可持续、零能耗的新兴有机污染物修复方法，直接有助于实现能源和环境可持续性的目标。通过利用Vitis vinifera（葡萄籽）提取物采用绿色路线合成了铁纳米颗粒（FeNPs），这些颗粒同时起到了生物还原和封端的作用。结构表征（SEM、XRD和FTIR）显示，省略热处理过程能够保留有机成分。
展望与未来方向
尽管本研究成功证明了未经热处理的植物源FeNPs在零能耗降解Auramine O方面的高效性，但仍需认识到某些局限性，以指导未来的规模化应用。目前，该系统仅在批处理实验室规模下得到了验证。实际废水处理设施中的连续流动特性可能会改变本研究中观察到的停留时间和质量传递动力学。此外，催化剂
资金来源
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了GEM?N?工具来改进语法和语言表达，以提高可读性。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
数据可用性
数据可根据请求提供。
CRediT作者贡献声明
乌克巴·埃尔代尔维什（Ukba Eldervi?）：方法学、研究、概念化。塞伦·巴伊拉奇（Ceren Bayra?）：写作——审阅与编辑、方法学、研究、概念化。阿卜杜拉·塔希尔·巴伊拉奇（Abdullah Tahir Bayra?）：写作——初稿撰写、方法学、研究、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
