关于可持续生物燃料辅助燃烧合成CuO/MgO纳米复合材料的研究，用于导电性和光电催化应用

《Materials Chemistry and Physics》：Studies on, Sustainable Bio-Fuel-Assisted Combustion Synthesis of CuO/MgO Nanocomposites for Conductance and Opto-Electrocatalytic Applications

　　

M.C. Kiran Kumar | M.V. Santhosh Kumar | B.R. Kirthan | K.K. Nagaraja | S. Madhu

物理系，Bapuji 工程与技术学院，Davangere- 577004（隶属于 VTU, Belagavi 的自治学院），卡纳塔克邦，印度

摘要。

本研究报道了利用生物来源的柠檬汁作为燃料，通过一种更环保的燃烧方法，热辅助合成 CuO/MgO 纳米复合材料，用于光电催化和介电应用。粉末 X 射线衍射的结构分析证实了双相 CuO/MgO 纳米复合材料的形成。扫描电子显微镜 (SEM) 和透射电子显微镜 (TEM) 的形态学研究表明，这些纳米颗粒分布均匀，具有多孔且可渗透的结构。BET 分析显示其比表面积和孔隙特性得到改善，有利于电化学活性。X 射线光电子能谱 (XPS) 证实了 Cu²⁺ 和 Mg²⁺ 离子的存在，以及与氧空位相关的缺陷，表明界面相互作用较强。紫外-可见光谱 (UV-Vis) 显示带隙在 1.64 至 2.13 eV 之间变化，这是由于 CuO 的吸收和缺陷介导效应所致。电化学研究表明，随着 Cu 含量的增加，电荷转移电阻降低，导电性提高，这一结果得到了阻抗和循环伏安法分析的支持。频率依赖的介电测量表明介电常数和交流导电性增加，这受到 Maxwell-Wagner 界面极化的影晌。这些发现表明，通过控制 CuO 和 MgO 的异质结构、缺陷工程以及改善表面特性，可以开发出用于电化学、介电和能源相关应用的经济高效的多功能材料。

引言

由于电化学储能系统、智能传感器和光电设备的快速发展，对具有高灵敏度、稳定性和环境兼容性的多功能金属氧化物纳米材料的需求日益增加。碱土金属氧化物和过渡金属氧化物因其可调的电结构、化学稳定性和催化活性而引起了研究人员的兴趣 [1]。氧化铜 (CuO) 具有窄带隙、强的氧化还原活性和优异的电荷传输能力，而氧化镁 (MgO) 是一种宽带隙半导体，以其出色的热稳定性和低介电损耗以及环保性而闻名 [2]。在 CuO/MgO 纳米复合材料系统中合理组合这些氧化物，为制备具有协同增强光电化学性能的材料提供了可行的途径 [3]。

特别是绿色和基于溶液的合成技术，已成为传统高温和化学要求高的工艺的可持续替代方案 [4]。这些方法不仅减少了环境影响，还允许精确控制颗粒大小、表面功能和缺陷密度，这些都是影响电化学导电性、催化活性和传感性能的关键因素 [5]。当 Cu²⁺ 离子替代进入 MgO 晶格时，会引入氧空位、晶格应变和混合价态，从而改善界面电荷传输和电导率。这些结构和电学变化对于调整材料在离子和电化学传感应用中的行为至关重要 [6]。

锂离子电池、生物医学诊断和环境监测的广泛应用使得锂离子检测成为一项关键的分析需求。基于金属氧化物纳米结构的电化学 Li⁺ 传感器的优势包括低检测限、快速响应时间和高灵敏度以及易于操作 [7]。此外，CuO/MgO 纳米复合材料的光电特性由于带隙调制和缺陷状态而改善了光辅助电荷分离，这对于基于导电性的应用非常有用 [8]。

除了导电性和阻抗特性外，确定纳米结构材料中的电荷传输路径和电极-电解质相互作用也很重要。CuO/MgO 纳米复合材料为研究频率依赖的导电性、介电松弛和电化学稳定性提供了灵活的框架，这些都是设备集成所必需的 [9]。尽管有这些优点，但目前仍很少有系统性的研究将 CuO/MgO 纳米复合材料的多功能光电催化性能、成分调整和环保生产联系起来 [10]。

综合文献中的所有信息，本研究使用柑橘类果汁作为天然燃料，报道了 CuO/MgO 纳米材料的环保合成方法，并全面考察了它们的结构、光电、电催化、Li⁺ 传感和导电性能。本研究旨在建立组成依赖的物理化学特性与实际应用之间的直接关系，突出 CuO/MgO 纳米材料作为下一代光电和导电应用的可持续高效材料的潜力。

章节摘录

成分和研究方法

AR 级化学品，如 [Mg(NO₃)₂,6H₂O] 和 [Cu(NO₃)₂,6H₂O> 从 Sigma Aldrich 购买，Sd-Fine 化学品作为前驱体和掺杂金属离子，无需进一步纯化；新鲜提取的柠檬汁用作燃料。通过粉末 X 射线衍射图案（Cu-Kα，λ = 0.15406 nm，SEIFERT XRD 3000P）对纳米复合材料的组成、颗粒大小和晶体结构进行了分类，同时记录了 FT-IR 光谱研究

粉末 X 射线衍射与 Rietveld 优化研究

对于 CuO/MgO 纳米复合材料，我们重点关注了不同原子浓度（Cu = 0.25、0.5、0.75 和 1.0）下颗粒在单元格中的晶体学位置。因此，根据晶体学数据，使用 X'pert High Score Plus 软件对粉末 X 射线衍射信息进行了 Rietveld 优化。采用多项式背景的 Pseudo Voigt 方法进行轮廓拟合。(001) 优先取向 (hkl)

结论

总之，利用柠檬提取物和可持续的生物燃料辅助燃烧方法成功制备了 CuO/MgO 纳米复合材料。这种方法提供了一种比传统方法更节能且环保的替代方案。结构分析证实了形成了纯纳米晶体复合材料，其晶粒大小和缺陷化学性质可调。通过 TEM 的形态学研究表明，这些纳米颗粒分布均匀，形状接近球形，晶格清晰

CRediT 作者贡献声明

Santhosh Kumar M V：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证。B. R. Kirthan：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法学，研究。K K Nagaraja：撰写 – 审稿与编辑，验证。S Madhu：撰写 – 审稿与编辑，数据整理

利益冲突声明

关于上述主题，我在此代表所有其他作者（合作者）声明不存在任何利益冲突。