来自鸭跖草（Commelina communis）花提取物的环保银纳米颗粒：一种用于有害染料修复的绿色方法

《Next Materials》：Eco-friendly silver nanoparticles from Commelina communis flower extract: A green approach for hazardous dye remediation

　　

摘要：本研究采用鸭跖草（Commelina communis）的水提花 extract 作为天然还原剂和稳定剂，用于合成银纳米颗粒（AgNPs）。溶液由淡黄色变为棕色，以及紫外-可见光谱检测到位于425 nm处的表面等离子体共振（SPR）峰，进一步证实了CC-AgNPs的绿色合成技术。通过FT-IR、DLS、zeta电位、XRD、SEM-EDS和TEM对绿色合成的纳米颗粒进行了进一步表征。FT-IR分析表明，植物化学来源的官能团可能参与了还原和稳定过程。DLS分析显示平均流体动力学直径约为60 nm，多分散指数（PDI）为0.662。zeta电位为?23.2 mV，表明纳米颗粒表面带有适度负电荷，这可能有助于静电排斥和分散稳定性。然而，该值未达到高静电胶体稳定性通常采用的±30 mV标准。因此，在评估CC-AgNPs的分散行为时，将zeta电位结果与DLS尺寸分布和PDI综合考虑。XRD分析证明纳米颗粒具有面心立方（fcc）结构的结晶相。TEM图像显示颗粒大多为准球形，平均尺寸约为24 nm。研究人员测试了所合成AgNPs在硼氢化钠（NaBH?）存在下对染料钛黄（TY）和罗丹明B（RhB）的催化降解活性。根据准一级动力学模型，TY和RhB分别在20 min和16 min内实现完全脱色。结果表明，CC-AgNPs作为有效纳米催化剂在废水处理和环境污染修复方面具有应用潜力。

**论文解读：基于鸭跖草花提取物绿色合成银纳米颗粒及其催化降解有害染料的研究**

**1. 研究背景与问题**

随着工业化和城市化进程加速，有机污染导致的水体污染已成为全球性环境问题，对水生生物和人类健康构成严重威胁。纺织工业排放的含染料废水是主要污染源之一，其不仅降低水体光穿透性，还产生生物毒性。钛黄（Titan Yellow, TY）和罗丹明B（Rhodamine B, RhB）是两种广泛使用的合成染料，TY常用于纺织品、纸张和皮革着色，RhB则因优良荧光特性应用于荧光显微镜、流式细胞术和固态激光等领域。然而，两者均具有环境持久性和显著毒性，长期暴露可引发皮肤刺激、过敏、神经毒性、遗传毒性甚至致癌性。传统的染料处理方法包括混凝、絮凝、氧化、还原、臭氧分解等，但这些方法普遍存在成本高、易造成二次污染及可持续性差等缺陷。因此，开发绿色、经济、高效的染料废水处理技术成为环境科学领域的研究热点。

近年来，利用植物提取物绿色合成纳米颗粒因其简单、经济、生物相容且环境友好而备受关注。银纳米颗粒（AgNPs）具有可调的物理化学性质，尤其在有机污染物催化降解中表现出优异性能，而植物介导的合成可避免传统物理化学方法使用有毒还原剂和氧化剂、能耗高等问题。鸭跖草（Commelina communis L.）为鸭跖草科植物，广泛分布于东亚和东南亚北部，其花仅于上午开放一天。该植物在民间医药中用于治疗咽喉痛、发热、腹泻、出血性疾病等，并含有黄酮类、生物碱、多糖、萜类和甾醇等多种植物化学成分。基于此，研究人员选择鸭跖草花的水提物作为天然还原剂和稳定剂，探索绿色合成AgNPs并评价其催化降解TY和RhB的性能，以期为染料废水治理提供可持续的纳米催化方案。

**2. 研究方法概述**

研究人员采集印度泰米尔纳德邦Virudhunagar地区的鸭跖草鲜花，洗净、阴干、粉碎后，取20 g花粉末与100 mL Millipore水在85 ℃下加热1 h，过滤获得花提取物。随后将1 mL花提取物逐滴加入24 mL的0.01 M硝酸银（AgNO?）溶液中，室温磁力搅拌6 h，观察到溶液由淡黄色渐变为深棕色，表明Ag?被还原为Ag?。反应液经12,000 rpm离心15 min，沉淀用Millipore水洗涤三次后重分散于水中备用。利用UV-可见光谱考察提取物浓度（0.25–1.50 mL）、pH（3–11）和反应时间对纳米颗粒合成的影响。通过FT-IR、DLS、zeta电位、XRD、SEM-EDS和TEM对CC-AgNPs进行系统表征。催化降解实验在石英比色皿中进行，固定条件为2.0 mL染料溶液（0.20 mM）、0.99 mL新鲜NaBH?溶液（0.05 M）和0.01 mL CC-AgNPs悬浮液，室温下用UV-可见光谱在300–700 nm范围内监测降解过程，并进行准一级动力学拟合。

**3. 主要研究结果**

**3.1 UV-可见光谱与合成参数优化**

UV-可见光谱显示，花提取物和AgNO?溶液分别在250 nm和265 nm处有吸收峰，而合成后的CC-AgNPs在425 nm处出现特征表面等离子体共振（SPR）带，证实AgNPs的形成。随提取物浓度从0.25 mL增至1.50 mL，SPR峰强度逐渐增大，且峰位从425 nm轻微红移至428 nm；尽管高浓度提取物能提高吸光度，但研究人员选择1.00 mL作为最优浓度，因其兼具良好的纳米颗粒稳定性和充足的植物化学成分还原/包覆能力。pH实验表明，低pH（3–5）导致SPR带变宽、强度降低，对应颗粒较大或不均匀；而高pH（9–11）有利于Ag?更高效地还原和稳定，SPR响应更尖锐。反应时间的影响通过不同时段的光谱记录体现，SPR带在约420–428 nm范围内随反应进行逐渐增强。

**3.2 FT-IR分析**

FT-IR光谱显示，在3430 cm?1处宽峰归属为O-H伸缩振动，2920和2840 cm?1分别为C-H不对称和对称伸缩振动，1630 cm?1对应C=O（羰基/酰胺）和/或C=C（芳香化合物）伸缩振动，1405 cm?1为O-H弯曲和C-N伸缩振动，1114和1027 cm?1为C-O伸缩振动（醇、醚和多糖）。这些含氧和含氮官能团的存在表明花提取物中的酚类、黄酮、蛋白质和多糖等生物分子吸附在纳米颗粒表面，参与Ag?的还原及对AgNPs的包覆稳定。

**3.3 DLS与zeta电位分析**

DLS测得的平均流体动力学直径约为60 nm，PDI为0.662。zeta电位为?23.2 mV，表明颗粒表面带负电，这源于花提取物中负电性植物化学成分的吸附，可产生静电排斥而减少团聚。尽管该zeta电位绝对值未达到±30 mV的高稳定性判据，但结合DLS尺寸分布和PDI综合评估，仍可认为CC-AgNPs具有一定的胶体分散稳定性。

**3.4 XRD分析**

XRD图谱在2θ = 38.39°、44.47°、64.76°、77.63°和81.84°处出现衍射峰，分别对应面心立方（fcc）金属银的(111)、(200)、(202)、(311)和(222)晶面，证实AgNPs为结晶态面心立方结构。利用Debye-Scherrer公式计算的晶粒尺寸约为12 nm，小于TEM测得的颗粒尺寸（~24 nm）和DLS流体动力学直径（~60 nm），这是因为XRD测量的是相干衍射畴尺寸，而TEM测物理尺寸，DLS测含溶剂化层和植物包覆层的有效直径。较小的晶粒尺寸和高结晶性有利于催化反应。

**3.5 SEM-EDS分析**

SEM图像显示纳米颗粒呈现密集聚集、形貌较均匀但为不规则球形、表面粗糙，该聚集可能源于样品制备过程中的干燥步骤及颗粒间相互作用。EDS谱图在约3.0 keV处出现强的元素银峰，证明Ag?成功还原为金属态Ag?，且银是纳米颗粒中的主要元素；较低能量区的少量信号可能来自植物提取物中的生物分子或分析基底。

**3.6 TEM与SAED分析**

TEM图像显示CC-AgNPs主要为准球形，颗粒尺寸范围10–30 nm，平均约24 nm，分散性相对良好。与DLS结果相比，TEM测得尺寸较小，两者差异源于测试原理不同。SAED花样呈现明亮的同心圆环和斑点，表明纳米颗粒具有多晶性质，衍射环可归属为面心立方银的晶面，与XRD结果一致，进一步证实了CC-AgNPs的高结晶性和Ag?向金属态银的高效还原。

**3.7 催化降解TY和RhB**

在NaBH?存在下，CC-AgNPs催化降解TY和RhB的UV-可见光谱显示，随反应时间增加，TY在336和403 nm处的特征吸收峰以及RhB在553 nm处的吸收峰逐渐降低。TY和RhB分别在20 min和16 min内完成完全脱色，表明催化剂具有强催化活性。动力学分析采用准一级模型ln(A_t/A₀) = ?kt，结果发现TY和RhB的降解过程并非单一线性关系，而是呈现两个明显的动力学区域，因此采用两段线性拟合能更好地描述实验数据，说明降解过程可能涉及多个动力学阶段。基于Langmuir-Hinshelwood模型，催化机理推测为：染料分子和BH??离子首先吸附在CC-AgNPs表面，纳米颗粒作为电子转移介质，促进电子从BH??传递至吸附的染料分子，削弱染料的发色团结构，使之分解为较小且毒性较低的分子。与文献报道的其他植物介导AgNPs（如Ophiocoma scolopendrina、Endostemon viscosus来源）相比，本研究中CC-AgNPs在NaBH?存在下对TY和RhB表现出优异的降解性能，差异可能与植物提取物中植物化学物质类型、颗粒尺寸、表面性质及反应条件有关。

**4. 结论与意义**

研究人员通过绿色可持续方法，以鸭跖草花提取物同时作为还原剂和稳定剂，成功合成了CC-AgNPs。UV-可见光谱在425 nm处呈现特征SPR带，确认纳米颗粒形成；优化实验表明提取物浓度、pH和反应时间均影响合成过程。FT-IR证实植物化学成分参与还原和稳定作用。XRD显示颗粒为结晶面心立方金属银结构，晶粒尺寸约12 nm；DLS和zeta电位测得流体动力学直径约60 nm、zeta电位约?23.2 mV，表明具有较好的胶体稳定性；SEM-EDS和TEM确定颗粒平均尺寸约24 nm、形貌为准球形并具有多晶性质。更重要的是，CC-AgNPs在NaBH?存在下对RhB和TY表现出强催化降解活性，完全脱色时间分别为16 min和20 min。准一级动力学分析表明，降解数据更适合用分段线性拟合描述，提示反应经历多个动力学阶段。该研究证实了鸭跖草花提取物作为简单、植物源还原和稳定介质的可行性，并将纳米颗粒的理化特性与其对两种不同染料污染物的催化活性相关联，为染料废水处理提供了一种绿色环保的纳米催化剂合成策略。论文发表在《Next Materials》。