利用印楝（Azadirachta indica）叶提取物通过绿色化学方法制备还原氧化石墨烯-氧化锌（rGO-ZnO）纳米复合材料，有效去除废水中的有机染料

《Next Materials》：Green synthesis of reduced graphene oxide-zinc oxide (rGO-ZnO) nanocomposite using neem (Azadirachta indica) leaf extract for efficient removal of organic dyes from wastewater

　　Shreyoshi Mazumder | Rupna Akther Putul | Md. Abdulla Sayem | Sadit Bihongo Malitha | Md. Zahangir Alam | A.M. Sarwaruddin Chowdhury
应用化学与化学工程系，达卡大学，达卡1000，孟加拉国

**摘要**
本研究采用了一种绿色合成方法，利用印楝（Azadirachta indica）叶提取物制备了还原氧化石墨烯-氧化锌（rGO-ZnO）纳米复合材料，该复合材料在去除废水中的有机污染物（Maxilon Pink染料）方面表现出高效性能。这种环保的合成路线消除了有害化学物质，同时使材料合成过程更加可持续。通过XRD、FTIR、SEM、EDX和DLS等分析技术对复合材料进行了全面表征，以评估其晶体性质、功能、表面形态、元素组成和粒径。XRD图谱显示纳米复合材料中存在六方纤锌矿相的ZnO。SEM分析表明ZnO纳米颗粒在rGO基底上均匀分散且表面粗糙多孔，EDX验证了其元素组成。光学研究表明，随着rGO-ZnO含量从5%增加到10%，带隙从3.08 eV显著降低至2.72 eV和2.52 eV，表明其对可见光的吸收能力增强。随后利用该复合材料从水溶液中去除商用纺织染料MP。实验发现，随着pH值和反应时间的增加，染料去除效率也随之提高，并对催化剂用量、反应时间和初始染料浓度进行了优化。动力学研究表明，光催化降解过程遵循伪二级动力学模型。经过五次循环使用后，纳米复合材料的降解率约为52%。残留毒性分析显示，处理后的模型生物体存活率良好。在优化条件下（20 mg染料溶液，初始浓度20 ppm，pH 8），rGO-ZnO复合材料对MP染料的去除效率达到92.229%，去除容量为18.4458 mg/g。

**1. 引言**
未经处理的工业废水造成的水污染已成为全球性难题。工业生产过程中排放的各种污染物（如有机染料、农药和杀菌剂）具有毒性，不仅对健康有害，且难以分解[1][2]。全球工业每年产生约一百万吨合成染料，其中纺织染料占工业废水的28万吨[3][4][5]。这些染料会阻碍水体对光线的透过，引发严重的健康问题（包括癌症和基因损伤），因此开发有效的可持续染料去除方法至关重要。绿色合成作为一种环保替代传统化学合成路线的方法应运而生，使用植物提取物进行纳米粒子制备，在形态控制和表面积方面具有显著优势，且环境影响远低于溶胶-凝胶法或化学还原法[6][7][8]。遵循绿色化学原则可最大限度减少化学废物的产生。例如，自2011年以来，绿色合成方法使化学废物减少了27%；有机合成策略主要侧重于改进工艺、去除有毒物质以及缩短合成步骤[6]。与其他绿色合成方法（如微波辐照和水热法）相比，基于植物提取物的绿色合成方法具有更好的形态控制能力和更低的环境影响[9][10]。与传统方法相比，该方法能耗更低，产生的有毒副产物也更少，更具可持续性和经济性[9][10]。利用植物提取物、细菌、真菌和藻类等生物实体制备纳米粒子既环保又安全[11][12]。植物提取物具有更快的还原速率，可加速合成过程[13]。这种利用植物中的植物化学物质作为还原和稳定剂的绿色技术比传统方法更经济、危害更小[16][17]。尽管绿色合成存在可重复性差、颗粒性质控制有限、可能含有有机残留物以及大规模标准化挑战等问题[8][18][19][20]，但金属氧化物纳米粒子（MONPs）的纳米级尺寸使其具有高反应性（大表面积与体积比[21][22][23]），适用于催化和环境修复。尽管ZnO纳米粒子具有宽带隙，限制了其在可见光区域的吸收和光生电子-空穴对的重复合速度[41][42]，但其优异的光催化性能使其在生物医学应用中具有巨大潜力[27][28][29][30]。ZnO还具有高折射率、优异的电导率和可见光谱中的强光透过性，适用于工业领域[31]。其最重要的特性是出色的光催化性能，广泛应用于染料降解和重金属去除等环境修复任务[32][33][34]。作为II-VI族半导体材料，ZnO具有约3.37 eV的宽带隙，表现出优异的电荷分离能力（60 meV的结合能和热稳定性[35]）。ZnO中的氧空位可处于多种电荷状态，抑制非辐射复合，延长载流子寿命，适用于需要长时间电荷分离的应用（如光催化[37]）。

印楝叶提取物中的多种氧化和还原代谢物能直接快速将锌离子还原为纳米结构的ZnO，具有抗氧化活性[38][39]。印楝叶中的植物化学物质（如尼姆醇、印楝素和抗坏血酸）有助于将锌离子还原为ZnO纳米粒子，粒径在20至40 nm之间[40]。然而，ZnO的光催化活性受宽带隙限制，仅能在紫外区域吸收光并导致光生电子-空穴快速复合[41][42]。快速复合还会引发光腐蚀，严重影响材料的光催化和光稳定性[43]。通过与其他金属、金属氧化物、碳基材料和聚合物的复合，可克服这些限制并提升其催化活性[44]。用金属和非金属掺杂ZnO结构可改变带隙，使其在可见光区域具有光催化活性[45][46][47]。最新研究详细探讨了ZnO与碳纳米管、富勒烯、石墨烯氧化物（GO）和rGO的结合[48]。rGO与CC sp2结构的兼容性和适用性尤为突出，因其优异的热电导率和机械强度以及大表面积[48][49]。将石墨烯掺入ZnO结构可改善载流子分离效果，提高光催化效率[50][51][52][53]。rGO通过氧官能团和表面缺陷在石墨烯和GO之间起到桥梁作用，有效吸附芳香族染料[54][55][56]。绿茶提取物作为绿色还原剂，通过氢键和π-π堆叠相互作用参与rGO的合成，提升性能和电导率，同时实现水分散，为传统化学制备方法提供了可持续替代方案[57]。rGO-ZnO复合材料通过增强可见光吸收和降低带隙，展现出优异的光催化性能，适用于紫外光和可见光条件下的多种应用[58][59][60]。该复合材料通过吸附和光催化降解机制高效去除染料。本研究描述了rGO-ZnO复合材料的合成过程及其光催化活性测试，采用商业上重要的MP染料作为研究对象，其去除效率在可见光照射下达到92.229%（5%复合材料）。该方法结合了绿色、超声和植物提取物技术，成本低廉且环境影响小[61][62]。

**2. 材料与方法**
2.1. 化学试剂
研究使用的硝酸锌六水合物（Zn(NO3)2·6H2O，纯度98%）来自QUALIKEMS LIFESCIENCES PVT. LTD；印楝叶来自达卡大学，绿茶叶来自当地市场；石墨粉（纯度99.5%，粒径≤50 mm）来自Merck（印度）。分析级化学品包括硫酸（99%）、盐酸（37%）、氢氧化钠（5%）以及从当地纺织工业收集的MP染料，均未经纯化处理。实验室用水净化系统SCSJ-IV（Biobase）制备去离子水。
2.2. 合成过程
2.2.1. 印楝叶提取物的制备
印楝叶经四次去离子水清洗后进行灭菌处理，室温（32°C）下干燥，选取20 g干燥样品用于合成。将20 g干燥叶片在60–70°C下煮沸1小时，直至溶液呈淡黄色，冷却后用Whatman No.1滤纸过滤并冷藏保存。从储备溶液中制备20 mL印楝叶水提取物[63]。

2.2.2. 氧化锌（ZnO）的制备
在磁力搅拌器持续搅拌下，将40 mL印楝叶提取物加入4 g硝酸锌六水合物晶体中，加热至60–80°C直至溶液呈深黄色，随后放入陶瓷坩埚中并在400°C下加热2小时，得到的淡黄色粉末用于后续研究[63]。
2.2.3. 绿茶提取物的制备
所用绿茶来自达卡当地市场，通过将2 g绿茶在50 mL蒸馏水中50°C下超声处理30分钟制备提取物，过滤后冷藏保存[64]。
2.2.4. 还原氧化石墨烯（rGO）的制备
使用绿茶提取物将GO前驱体还原为rGO：向4 mL GO水悬浮液（14 mg/mL）和16 mL水中加入10 mL绿茶提取物，搅拌1小时后加热至60°C，直至GO沉淀。离心分离后用水洗涤四次并在70°C下干燥，得到黑色rGO片层[64]。
2.2.5. rGO-ZnO复合材料的制备
首先将950 mg ZnO纳米粒子溶解在40 mL去离子水中（超声处理），再向20 mL水中加入50 mg rGO（超声处理），实现均匀分布。在分别进行超声处理后，两种溶液在持续搅拌下混合，并加入了40毫升的印楝（Azadirachta indica）提取物。混合物在60°C下进行磁力搅拌过夜，以使ZnO与植物提取物中的rGO发生相互作用。所得沉淀物经过离心分离后，用去离子水洗涤四次以去除杂质和反应物。灰色产物在70°C下烘烤过夜，制得了rGO-ZnO复合材料（图4），其中ZnO成功附着在rGO片上。10% rGO-ZnO复合材料的合成遵循相同的程序，但使用了不同的ZnO与rGO比例（900毫克ZnO和50毫克rGO）以达到所需的负载量。整个合成过程如图5所示[65]。下载：下载高分辨率图片（136KB）下载：下载全尺寸图片图4. rGO-ZnO复合材料。下载：下载高分辨率图片（471KB）下载：下载全尺寸图片图5. rGO-ZnO的合成过程。2.3. 特性分析使用日本SHIMADZU公司生产的IR Prestige-21（FT-IR）光谱仪在4000–400 cm?1范围内分析了ZnO、rGO、5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO复合材料的化学结构。ZnO、5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO复合材料的X射线衍射分析是在日本Rigaku公司制造的LiF单色器使用Cu Kα辐射（λ = 1.5406 ?）的Ultima IV多功能X射线衍射仪上进行的。ZnO、rGO和rGO-ZnO复合材料的表面形貌通过使用Phillips XL30扫描电子显微镜（SEM）和EDX分析检测器在15 kV的加速电压下进行分析。5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO复合材料的熱穩定性和組成通过PerkinElmer TGA 8000进行评估。使用HORIBA SZ-100V2分散介质粒徑測定儀測定了粒徑。細胞毒性試驗在生物安全柜（型号：NU-400E，Nuaire，USA）、CO2培養箱（Nuaire，USA）和帶相機的三目顯微鏡（Optika，Italy）中进行。光催化降解實驗在可见光照射下（波長範圍：400–700 nm）使用20 W LED燈泡作爲光源，距離反應溶液約20 cm，並在連續搅拌120分钟後進行。2.4. MP染料的光催化降解研究分析了多個變量，包括初始pH值、染料濃度、接觸時間和催化劑用量，以確定最佳的染料降解條件。染料的去除取决于光源波長[66]、光源強度[67]、表面积[68]、帶隙縮窄[69]和結晶度[70]。在可见光照射下評估了5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO納米複合材料的光催化效率。實驗評估了2到10之间的最佳pH值。研究使用10–40毫克rGO-ZnO作爲初始催化劑量來評估催化劑用量對染料降解的影響。在15、30分钟到120分钟的接觸時間內，評估了濃度爲10–50 ppm的MP染料溶液。溶液以170 rpm的速度攪拌。通過UV–vis光谱儀（Shimadzu UV-2600）在MP的最大吸收波長（λmax ≈534 nm）處測量上清液中的MP濃度。使用以下公式[71]確定了MP去除的效率：(1)去除效率% = (C0 ? Ct) / Co × 100，其中C0表示MP的初始濃度（mg/L），Ct表示在特定照射時間t时的MP濃度（mg/L）。以下公式用於確定吸附能力Q（mg/g）[19]：(2)去除能力 = (C0 ? Ct) / (W × V)，其中C0表示MP的初始濃度（mg/L），Ct表示在特定照射時間t时的MP濃度（mg/L），V是染料溶液的体积（L），W是催化劑的質量（g）。異質結構形成後，ZnO的帶隙能量降低，使其能吸收更多的可見光，并研究了其在可见光照射下的光催化機制[72]。2.5. 可重用性研究通过使用20 ppm的MP染料進行多次降解試驗来确定rGO–ZnO的可重用性，每個循環使用20毫克的催化劑，在pH 8下進行1小時。每次運行後，通過過濾將催化劑從處理後的溶液中分離出來，用蒸馏水仔细洗滅任何殘餘的染料，然后乾燥。再生的rGO–ZnO在相同的條件下使用，以評估其穩定性和催化效率，共進行了5個循環。3. 结果與討論3.1. rGO-ZnO复合材料的特性分析3.1.1. FTIR研究通过分析ZnO、rGO以及含有5%和10% rGO的rGO-ZnO納米複合材料的FTIR光谱，檢查了組分之間的化學功能和相互作用（圖6）。純rGO的光譜在約3410 cm?1處有明顯的峰，對應於O–H拉伸振動，在2350 cm?1處有峰，屬於殘餘含氧基團的CO拉伸。1610 cm?1和1050 cm?1處的額外峰表明存在羟基和环氧/烷氧基功能團，分別對應於O–H彎曲和C–O拉伸振動。這證實了GO被還原成了rGO。相比之下，純ZnO從含氧基團中顯示出的信號很少，而在約550 cm?1處有明顯的吸收帶，這是由Zn–O晶格振動引起的。ZnO是一種半導體，其表面通過與空氣中的水分子相互作用形成羟基團，導致解離吸附和表面存在羟基團[73]，[74]。約3410 cm?1处的吸收帶對應於表面羟基團的拉伸振動[75]。在ZnO納米粒子的合成過程中，暴露於環境污染物（如CO2）几乎是不可避免的。這可能导致这些物質整合到ZnO表面，随后在FTIR光谱中表现为2350 cm?1處的峰[76]。FTIR分析中ZnO的衍射峰與文獻中的相似[77]，[78]。下载：下载高分辨率图片（112KB）下载：下载全尺寸图片圖6. ZnO、10% rGO-ZnO、5% rGO-ZnO和rGO的FTIR研究。與其單個組分相比，rGO-ZnO複合材料的帶位置有明顯的變化。具體來說，rGO的O–H和CO峰的強度減弱或消失，表明rGO和ZnO納米粒子之间存在強烈的相互作用。rGO-ZnO複合材料的FTIR光谱顯示了这些特性的組合：隨着rGO含量從10%降低到5%，含氧功能團的峰強度下降，而Zn–O振動仍然顯著，表明存在ZnO納米粒子。由於rGO含量较低，複合材料的羟基團濃度降低。5% rGO-ZnO複合物中O–H峯的消失可能是由這些因素引起的[79]。此外，ZnO納米粒子與殘餘的O–H基團之间的相互作用可能會減弱或移動O–H振動信號。ZnO對羟基團有強烈的吸引力，導致強烈的結合相互作用，形成Zn-O鍵[80]，[81]。ZnO中的強振動帶可能會與O–H峯重疊或遮蓋它，使其在複合材料中不那么顯著[82]。此外，複合材料中较低的rGO含量限制了可用的羟基團數量，進一步降低了O–H峯的強度。在10%的複合材料中，還有在1410–1490 cm?1範圍內出現的協調羧酸基團的对稱拉伸，確認了rGO的存在[83]。3.1.2. XRD研究XRD衍射圖譜使我們能够識別10% rGO-ZnO複合材料、5% rGO-ZnO和ZnO的相並確定其晶粒大小。圖7顯示了10% rGO-ZnO複合材料、5% rGO-ZnO和ZnO的衍射圖譜。根據圖7，ZnO的衍射峰出現在2θ值31.700、34.370、36.190、47.490、56.550、62.830、67.920，對應於（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）和（201）平面，表明形成了六方纤锌矿相的ZnO（JCPDS Card 36–1451）[84]。這也表明了高結晶度和相純度。在整个煅燒過程中，沒有看到表明生成了中間物質（如氫氧化鋅、鹼性鋅鹽或硝酸鋅）的峰。5%和10% rGO-ZnO的衍射圖譜與純ZnO非常相似。rGO-ZnO複合物的（002）特征峰在24–26° 2θ處未檢測到。這主要是由ZnO納米粒子與rGO片層之間的強界面相互作用引起的，這破坏了它们的規則石墨堆積[80]，[85]，[86]。此外，在印楝提取物中以80°C長時間攪拌可能導致rGO的部分剝離或高度分散，從而降低了長程有序性[87]。此外，複合物中非常低的氧含量以及成功的還原通過GO峰的消失和氧基團的減少得到了確認[88]，[89]。與純ZnO相比，5%和10% ZnO–RGO複合物中的（110）、（102）和（103）衍射峰的強度降低，表明結晶度降低，可能是由與rGO的相互作用導致的優選取向改變[90]。（110）平面的轻微左移表明晶格擴張[91]。rGO的引入可能會在ZnO晶格中引起結構畸變和缺陷。這些缺陷會干扰晶格的規則週期性，導致某些衍射峰的強度降低，尤其是（101）平面[92]。下载：下载高分辨率图片（80KB）下载：下载全尺寸图片圖7. 10% rGO-ZnO、5% rGO-ZnO和ZnO的XRD圖譜。XRD結果確認了本研究中成功合成了ZnO、5% rGO-ZnO、10% rGO-ZnO和rGO。使用Debye–Scherrer方程[93]通过最強峰的半高寬（FWHM）確定了晶粒大小：(3)D = 0.9λβcosθ，其中D表示平均晶粒大小，θ表示布拉格衍射角，β表示峰的半高寬（FWHM），λ表示入射X射線的波長[94]。Debye–Scherrer方程表明，純ZnO的晶粒大小為36.02 nm，而當rGO含量分別達到5%和10%時，ZnO–rGO複合材料的晶粒大小分別降至29.41 nm和30.18 nm。rGO片層作爲物理障礙，創造了额外的成核位點，阻止了ZnO晶體的形成，导致晶粒大小減小。10%的rGO含量略有增加，因為rGO重新聚集或成核位點達到飽和，這降低了生長抑制並對複合材料的性能產生了負面影響[95]，[96]。3.1.3. 扫描電子显微镜（SEM）研究和EDX分析在10,000倍放大下捕获的SEM圖像（圖8a）顯示ZnO納米晶體主要呈等軸形態，從近似球形到不規則的多面體形態不等。晶粒形成較大的多孔團簇，缺乏明確的長程有序性。平坦表面和尖角的不規則存在表明部分顯示了纖锌矿晶面的特徵[97]。它還表明合成的ZnO由小納米晶粒聚集体組成。粒子呈不規則的等軸形狀，多個晶粒具有多面體表面，表明有显著的結晶度。微觀結構顯示高度多孔和粗糙的質地，這對需要增加表面积的應用有利[98]。如图8b（5000倍放大）所示，純rGO顯示出典型的層狀結構，由薄而皺褶的片層組成，表面光滑且邊緣不規則。這些片層部分堆積，显示出微米範圍的顯著側向尺寸。下载：下载高分辨率图片（576KB）下载：下载全尺寸图片圖8. a) ZnO，b) rGO，c) rGO-ZnO，d) rGO-ZnO的SEM圖片。相比之下，圖8c（5000倍放大）中的rGO–ZnO複合材料的SEM圖像顯示出明顯的形態變化。rGO片層被密集排列的ZnO納米粒子均匀覆蓋，形成具有粗糙多孔表面的聚集團簇。ZnO納米晶體主要呈近球形到多面體形狀，分佈在rGO基體中，形成缺乏長程有序性的顆粒組裝。合成過程導致這種形態變化，因為ZnO納米粒子通過含氧功能團和金屬前體在rGO表面形成異質結構[99]。ZnO和rGO之间的接近性提高了光催化性能，因為它增加了表面积並促进了电荷分離。ZnO粒子通過羧酸功能團或簡單的物理吸附與rGO相互作用[100]。圖8d中rGO–ZnO複合物的EDX譜表明Zn、O和C峰的成功整合，證明了ZnO和rGO相的成功結合。光谱显示了两个明显的Zn峰，Zn L峰出现在较低的能级（约1 keV），而Zn K峰出现在较高的能级（8.6–9.6 keV）[101]。ZnO晶格产生了氧峰，表明Zn和O以化学计量的比例存在。检测到的碳既来自rGO片层，也来自用于样品制备的碳带。接近1 keV的弱Na信号可能来源于NaOH前体、基底污染或Zn L峰的光谱重叠。光谱中的宽背景是由于X射线发射过程中产生的轫致辐射[102]。

3.1.4. TGA分析
通过热重分析（TGA）在100–800 °C的温度范围内研究了5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO复合材料的熱降解特性。图9中的TGA曲线清楚地展示了两种复合材料的重量损失阶段。

在100°C至200°C之间，两种样品都观察到了1–2%的重量损失，这是由于物理吸附的水和表面挥发性水分的蒸发[103] [104]。这一阶段在两种组成中都是均匀的，表明水分含量主要不受rGO负载的影响。在200°C至500°C之间观察到了一个显著的降解阶段。10% rGO-ZnO复合材料的TGA曲线更陡峭，表明其重量损失速度比5% rGO-ZnO更快，这主要是由于rGO含量的增加导致的热分解速率加快。在此期间，含氧官能团（例如-OH、-COOH）和碳骨架发生热解，释放出CO、CO?和其他挥发性物质[105] [106]。10% rGO-ZnO样品在500°C之前保持了较高的抗质量损失能力，但之后其曲线向较低温度方向移动，表明稳定性降低。10% rGO-ZnO样品的质量损失行为在500–650°C之间出现了一个转折点，因为空气中的rGO比例较高，在这个温度范围内会发生氧化/燃烧[107] [108]。因此，10%样品中较高的碳含量导致其质量损失更快且更早。此外，这一过程还导致10%复合材料在高温下的质量损失更大，因为它消除了剩余的氧化基团和被困的有机物质[109]。另一个原因是随着rGO含量的增加，rGO的团聚现象加剧，导致颗粒大小不均匀，并在接近500°C时热稳定性降低。因此，10% rGO-ZnO样品中观察到的显著损失与其较高的rGO含量有关，这增加了有机物的分解程度[110]。在500°C以上，重量损失达到稳定状态，5% rGO-ZnO的残留重量约为88–90%，而10% rGO-ZnO的残留重量略低，在600°C至800°C之间保持一个平台期。这种稳定化表明rGO的降解已经完成，留下了热稳定的ZnO基质作为主要残留物。

3.1.5. 带隙测定
通过绘制(αhν)n与hν的关系图构建了Tauc图，如图10所示[111]。这项研究表明，随着rGO的添加，纯ZnO的光学带隙（3.08 eV）减小，5% rGO时降至2.72 eV，10% rGO时降至2.52 eV。红移表明由于ZnO和rGO之间的电子相互作用、缺陷生成以及ZnO纳米颗粒（NPs）与rGO片层之间的协同作用，可见光的吸收增加，所有这些因素都导致有效带隙减小和光催化潜力增强[112] [113]。10% rGO-ZnO非常低的带隙可能会加速电子-空穴对的复合，从而降低光催化活性[114]。

3.1.6. DLS研究
见表1

表1. ZnO、5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO复合材料的DLS数据。

表2. 细胞毒性结果
样品ID 细胞存活情况 备注
Vero 溶剂 –100% 在Vero细胞系上未观察到细胞毒性。
溶剂 +> 95% 5% rGO-ZnO > 95% 10% rGO-ZnO > 95%
通过动态光散射（DLS）分析在pH 8的去离子水中测定了ZnO、5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO纳米复合材料的流体动力学直径和分散特性，如表1所示。测得的粒径分别为：纯ZnO为171.4 nm（多分散指数PI = 0.623），5% rGO-ZnO为385.8 nm（PI = 2.609），10% rGO-ZnO为458.5 nm（PI = 1.097）。随着rGO含量的增加，吸收边缘从紫外区移向可见光区域，导致带隙变窄。这种材料更适合实际的应用，因为可见光范围内的带隙可以通过可见光光激发实现高效的阳光利用[116]。

3.1.7. 细胞毒性测试
在细胞毒性测试中，使用了从非洲绿猴身上提取的肾上皮细胞Vero细胞系，该细胞系培养在含有1%青霉素-链霉素（1:1）和0.2%庆大霉素以及10%胎牛血清（FBS）的DMEM（Dulbecco改良Eagles培养基）中。将细胞（3.0 × 10^4/200 μL）接种到48孔板上，并在37°C+ 5% CO2条件下培养。第二天，向每个孔中加入50 μl的样品（高压灭菌处理）。培养48小时后，在倒置光学显微镜下检查细胞毒性。每个样品使用两个重复孔。图11显示，当浓度为100 μg/mL时，5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO的细胞存活率均超过95%，与溶剂对照组（100%存活率）相当，且未在Vero细胞系上检测到细胞毒性（图11）。显微镜检查未发现明显的形态变化，支持定量结果。结果表明，在所测试的条件下，这些复合材料是无毒的。

3.2. 光催化降解研究
3.2.1. 光催化剂负载量和初始pH值的影响
研究了pH值对5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO复合材料光催化效率的影响。准备了八种不同pH值（2、4、6、10）的水溶液，并向每种溶液中加入10 mg的光催化剂以确保均匀分散。反应后，分离悬浮液并通过分光光度法分析染料浓度。光催化剂的光催化效率很大程度上取决于溶液中羟基和羟基自由基的存在，特别是在碱性水溶液中降解染料时。光催化剂在碱性水溶液中的光催化效率通常与反应介质中•OH的存在直接相关，这增强了MP染料的光催化分解[122]。图12显示了5%和10% rGO-ZnO复合材料在不同pH值（2、4、6、8、10）下去除MP染料（阳离子染料）的效率。在酸性pH值（即pH 2、4）下，5% rGO-ZnO复合材料的降解效果最差，MP染料的降解率为33.4%，而10% rGO-ZnO复合材料的降解率为38.3%。结果表明，随着pH值的增加，两种复合材料的染料去除效率显著提高，其中5% rGO-ZnO在pH 8时的去除率为78.2%，在pH 10时为83.1%，而10% rGO-ZnO在pH 8时为76.8%，在pH 10时为82.0%。这可能是因为较高的pH值会在表面产生负电荷。由于MP是阳离子染料并带有正电荷，而表面含有更多的•OH离子，因此通过吸附/光解双重机制更好地去除了MP[123]。某些g-C3N4基纳米复合材料的零电荷点（PZC）约为7.0，当溶液的pH值超过这个值时，溶液中的负电荷氢氧根离子会包围复合材料，从而与阳离子染料（如RhB）产生更强的静电吸引力[124]。

3.2.2. 剂量的影响
图13显示了在不同剂量下，5%和10%复合材料在pH 8、接触时间2小时和溶液浓度20 ppm的条件下的去除效率和去除能力。当剂量从10 mg增加到40 mg时，10%复合材料的去除百分比从64.70%增加到92.63%，但去除能力（mg/g）从45.29 mg/g下降到16.21 mg/g。5%复合材料的去除百分比从68.75%增加到81.61%，然后在更高剂量下降至79.785%。在较高剂量下，过量的吸附剂颗粒的形成导致表面积减少，活性吸附位点的可及性降低[127] [128]。在较高催化剂质量下，催化剂颗粒对光的吸收减少，导致电子-空穴对的产生减少以及活性氧（ROS）生成中心的减少[129]。在同一剂量范围内，去除能力从48.13 mg/g下降到13.96 mg/g。与10%复合材料相比，5%复合材料的性能更为显著。吸附剂剂量的增加提供了更多的吸附位点，从而增强了总吸附能力[130]。额外的吸附颗粒扩大了表面积，使染料分子能够更有效地结合，从而提高去除百分比。

3.2.3. 初始染料浓度的影响
如图14所示，评估了5%和10% rGO-ZnO复合材料在不同染料浓度下的性能。实验在恒定pH值8和固定催化剂剂量20 mg/20 mL的条件下进行。10% rGO-ZnO复合材料的去除率从97.29%开始，在10 ppm浓度下逐渐下降到50 ppm时的79.08%，显示出更线性的下降趋势，这可能是由于在高rGO负载下发生了聚集或孔道堵塞。在较高浓度下，溶液中可用的活性物种不足以降解大量的MP染料[131]。5% rGO-ZnO复合材料在10 ppm浓度下的初始去除率为96.68%，逐渐下降到50 ppm时的72.64%，表明存在饱和效应，并且在更高浓度下可能达到重新平衡。5% rGO-ZnO复合材料在超过30 ppm浓度后去除率显著下降，从90.38%降至74.73%。这种急剧下降可以归因于5%复合材料中rGO含量不足，这可能限制了可用的活性位点数量，并在高染料浓度下阻碍了有效的电荷分离。增加染料浓度将增强染料与中间分子之间的竞争，从而改善后续的光催化反应[132]。下载：下载高分辨率图像（112KB）下载：下载全尺寸图像图14. 5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO复合材料去除率与浓度之间的关系。光催化剂的效率在很大程度上取决于光子的可利用性。在染料浓度较高时，会发生内部过滤效应，即染料吸收了大量入射光，从而减少了可用于光催化过程的光子。这可能导致复合材料的催化效率降低[133]。因此，染料溶液颜色越深，可用于光催化过程的光就越少。此外，在较高浓度下，染料分子中的芳香环之间的疏水相互作用可以稳定聚集体，从而降低它们被降解的可行性[134]。尽管10 ppm染料显示出最高的去除率，但这可能高估了催化剂的效率。因此，选择20 ppm浓度进行进一步研究，以更好地评估催化剂在实际条件下的性能。

3.2.4. 接触时间对染料去除率的影响
在图15中，展示了5%和10%复合材料的光催化染料去除率随接触时间的变化情况，染料浓度在20至50 ppm之间，实验条件为（30 mg吸附剂在20 mL溶液中，pH 8，25°C）。两种复合材料的染料去除率都随时间增加，但在120分钟后，5%复合材料去除了20 ppm染料的92.23%，而10%复合材料去除了相同浓度染料的93.09%。在最初的15-30分钟内，两种复合材料的染料去除率显著增加，因为反应条件在催化剂表面产生了大量的活性位点和活性物种（如羟基自由基），这些物质迅速降解了染料分子[135]。随着活性位点饱和以及染料浓度下降，系统接近平衡，染料去除率迅速下降[136]。10%复合材料的去除率下降更为明显，从90.38%降至74.73%。这种急剧下降可以归因于5%复合材料中rGO含量不足，这可能限制了可用的活性位点数量，并在高染料浓度下阻碍了有效的电荷分离。增加染料浓度将增强染料与中间分子之间的竞争，从而改善随后的光催化反应[132]。下载：下载高分辨率图像（166KB）下载：下载全尺寸图像图15. 接触时间对染料去除率的影响（初始染料浓度：20至50 ppm，吸附剂用量：30 mg在20 mL染料溶液中，pH 8，T = 25°C）。

3.2.5. rGO-ZnO复合材料对MP染料去除的动力学研究
研究结果表明，有机污染物的光催化降解遵循伪一级或伪二级动力学模型。图16展示了在不同初始染料浓度（20-50 ppm）下，5%和10%复合材料的染料降解的一级和二级动力学图。伪一级反应的动力学方程如下：
(5)lnCt = lnCo ? kCt
下载：下载高分辨率图像（372KB）下载：下载全尺寸图像图16. 5%和10%复合材料在不同浓度下对MP染料降解的伪一级（a, b）和伪二级（c, d）动力学模型。
通过绘制lnC0?Ct与时间t的关系图来应用一级动力学模型，其中Co和Ct分别代表初始和最终的染料浓度，以此确定反应级数。图形的线性表明，在实验条件下，吸附动力学接近伪二级行为。动力学参数总结在插图表格中。5%复合材料的速率常数（k）值在0.013531 min?1到0.025640 min?1之间变化，初始浓度越高，k值越大，表明初始稀浓度有利于更快的动力学反应。相比之下，10%复合材料的k值在0.015177到0.025578 min?1之间，且在20 ppm时达到最大值。对于5%和10% rGO-ZnO复合材料，伪一级动力学的线性拟合决定系数（R2）通常高于0.85，表明实验数据与模型之间有很好的一致性。然而，特别是在较低浓度下，存在散点数据，表明反应可能并不在所有时间点都遵循完美的一级行为。拟合方程的形式为y = mx + b，进一步验证了这种行为，其斜率对应于计算出的k值。观察到的趋势表明，初始染料浓度超过40 ppm时，吸附速率常数略有下降，这可能是由于复合材料表面可用活性位点的饱和所致。

3.2.6. 再生研究
5%和10% rGO-ZnO纳米复合材料经过多次降解循环以确定其再利用潜力，如图17所示。实验中，20 ppm的20 mL染料溶液与20 mg催化剂在pH 8的条件下，在可见光下搅拌一小时。使用离心法分离催化剂，然后用去离子水和2% HCl洗涤以中和pH值，随后在60°C下干燥过夜。通过多次MP去除效率测试评估了光催化剂的稳定性和可重复使用性。即使经过五个连续循环，光催化剂仍保持了超过一半的原始降解效率。5% rGO-ZnO的降解效率从第一循环的84%下降到第五循环的52%，相当于初始能力的约32%损失；10% rGO-ZnO的降解效率从第一循环的87%下降到第五循环的48.5%，相当于初始能力的约38%损失。这种下降可能是由于反应过程中ZnO的浸出、rGO的部分氧化以及活性位点上中间产物的积累导致表面污染，从而阻碍了光吸收并降低了催化活性。尽管如此，该材料在多个循环中仍保持了中等的稳定性和可重复使用性。然而，为了实际废水处理应用，还需要进一步提高长期稳定性[144]。下载：下载高分辨率图像（93KB）下载：下载全尺寸图像图17. 5% rGO-ZnO和10% rGO-ZnO纳米复合材料在5个循环内的光催化去除MP染料的可重复使用性。

3.2.7. 去除能力的比较
在受控实验参数（pH = 8，剂量 = 20 mg/20 mL，初始染料浓度 = 20 ppm）下，研究了ZnO、rGO和rGO-ZnO纳米复合材料对染料降解的效率。图18显示了5% rGO-ZnO、10% rGO-ZnO、rGO和纯ZnO在1小时和2小时接触时间后的染料脱色程度。颜色强度随时间减弱，表明染料正在被去除。条形图显示了定量去除能力（mg/g）。一小时后的去除能力分别为10% rGO-ZnO为17.14 mg/g，5% rGO-ZnO为16.71 mg/g，rGO为11.76 mg/g，ZnO为6.95 mg/g。将接触时间延长至2小时后，所有复合材料的去除能力分别提高到18.42 mg/g、18.45 mg/g、12.37 mg/g和7.12 mg/g。rGO-ZnO复合材料显示出比纯rGO和ZnO更好的染料吸附和降解能力，其中5%和10% rGO-ZnO样品的效率最高。

4. 可能的光催化MP降解机制
光催化过程包括四个主要阶段：首先是光催化剂吸收光子，然后产生空穴-电子对，接着是电荷分离并迁移到表面，最后在表面发生氧化还原反应[146]。图19展示了这一机制。rGO-ZnO复合材料的催化机制涉及几个关键过程，这些过程增强了它们的光催化活性。rGO的存在增加了光吸收范围和强度，使复合材料能够利用更广泛的光谱进行光催化[58]。rGO-ZnO复合材料暴露在光下时，ZnO吸收光子产生电子-空穴对。当波长低于387 nm的可见光辐射照射到ZnO上时，由于这与ZnO的带隙能量3.2 eV相匹配，光催化降解过程开始[147]。带隙激发过程发生在电子从价带（VB）移动到导带（CB）时，从而产生电子-空穴对（h?），引发降解反应。ZnO的导带（CB）和价带（VB）分别位于-4.05 eV和-7.25 eV（相对于真空），而rGO的功函数为-4.8 eV[148]。rGO的π共轭结构使其能够作为固态电子介质，从而增强电荷传输和分离过程[162][163]。光激发过程中产生的电子从ZnO转移到rGO片层，降低了电子-空穴对的复合速率[149]。转移的电子将氧分子还原为活性氧物种（如超氧自由基O??•），而空穴将水或氢氧根离子氧化为羟基自由基（•OH）[150]。ZnO价带中的空穴可以氧化水或氢氧根离子，进一步促进污染物的降解[151]。尽管本研究没有进行TOC分析或自由基清除实验，但文献表明，这些由ROS（活性氧）介导的途径可以将有机污染物矿化为CO?和H?O [152]。添加rGO（氧化石墨烯）可以提高光吸收的范围和强度，从而使复合材料能够利用更宽光谱范围内的光进行光催化 [153]。相关反应如下所示 [147], [154], [155]：

(7) ZnO + hμ → ZnOe? + h+
(8) e? + rGO → rGOe?
(9) h+ + H2O → H+ + •OH
(10) h+ + OH? → •OH
(11) 2?rGOe? + O2 → rGO + O2? •

**结论**

本研究通过绿色合成方法制备了5% rGO–ZnO和10% rGO–ZnO纳米复合材料。XRD结果显示，纤锌矿结构的ZnO形成了六方晶系，而rGO的引入减小了晶粒尺寸。SEM图像显示rGO表面上的ZnO颗粒分布均匀，DLS测量证实这些颗粒的尺寸在纳米级别。根据UV–vis光谱结果，该材料的可见光吸收能力得到增强。EDX分析验证了以Zn和O为主要成分的rGO–ZnO复合材料的成功形成。这些复合材料在低于500°C的温度下表现出热稳定性，但由于10% rGO–ZnO的碳含量较高，在较高温度下其重量损失更快。两种纳米复合材料的vero细胞存活率均超过95%，表明在测试条件下它们无毒。在最佳条件下（20 mg染料溶液、20 ppm初始浓度、pH 8），5% rGO–ZnO的光催化降解率在2小时反应时间内达到了92.229%。光催化降解过程遵循伪二级反应动力学，其速率常数分别为5% rGO–ZnO的0.00216 min?1和10% rGO–ZnO的0.003468 min?1。所合成的rGO–ZnO纳米复合材料具有良好的结构稳定性、有效的光催化活性、可重复使用性和生物相容性，适用于可持续废水处理。

**作者贡献声明**

Md. Zahangir Alam：可视化、监督、资源管理、项目管理和资金筹措。
A.M. Sarwaruddin Chowdhury：监督、资源管理。
Shreyoshi Mazumder：撰写初稿、验证、软件开发、方法论设计、资金筹措、数据分析。
Sadit Bihongo Malitha：验证、监督、软件开发、项目管理和资金筹措。
Rupna Akther Putul：撰写、审稿与编辑、验证、监督。
Md. Abdulla Sayem：软件开发、实验研究。