通过热液法合成的掺银SnO?，可显著增强RhB的光降解效果，并具备优异的广谱抗菌性能

《Journal of the Indian Chemical Society》：Hydrothermally synthesized Ag-doped SnO 2 for enhanced RhB photodegradation and superior broad-spectrum antimicrobial action

　　

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  水热合成成功制备出了单相四方结构的Ag掺杂SnO₂，这种材料的光学带隙可调，范围在3.50至3.17电子伏特之间。
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  5% Ag掺杂的SnO₂在90分钟内对罗丹明B的降解效率达到了99.14%。
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  Ag的掺杂产生了氧空位，显著降低了光生电子-空穴对的重复合现象。
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  这种纳米复合材料表现出优异的宽光谱活性，优于传统的抗生素和抗真菌剂。
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  它是一种具有双重功能的环保纳米材料，可用于废水处理和生物医学消毒。

引言

半导体纳米材料在环境治理中具有巨大潜力，因为它们产生的载流子可以引发反应，分解顽固的有机污染物。TiO₂化学性质稳定且毒性低，但由于带隙较宽，主要对紫外线有响应。ZnO价格便宜且具有光活性，但在高酸性或高碱性环境下重复使用可能会受到光腐蚀和不稳定性的限制。CuO由于带隙较窄可以吸收可见光，但载流子快速复合可能会限制其效果[1]。SnO₂化学稳定性高、电子迁移率好且环境兼容性好，但其宽带隙和快速的电子-空穴复合限制了它在可见光下的应用。最近的研究通过掺杂、异质结和碳载体等方法来增强光吸收、吸附和电荷分离性能。例如，在杏仁壳活性炭上掺杂SnO₂，在腰果壳活性炭中负载TiO₂，以及绿色合成的SnO₂和ZnO，以及用于染料降解的CuO纳米颗粒[2], [3], [4], [5]。一个多世纪的快速工业化和城市发展无意中造成了严重的全球环境问题，包括水污染和抗菌药物耐药性的增加[6]。此外，来自纺织、造纸和皮革行业的合成染料（如罗丹明B）的释放对环境构成了严重威胁。这些有机染料大多不可生物降解，会破坏水生植物的光合作用，并在食物链中积累[7], [8]。同时，多重耐药（MDR）细菌和真菌菌株（如大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、肠球菌属和念珠菌属）不断出现，传统抗生素越来越难以应对这些问题，从而强烈推动了高效广谱抗菌剂的需求[9], [10]。这些双重挑战为纳米技术提供了解决方案；在这一新兴领域，各种纳米材料可以同时用于环境治理和生物医学去污[11], [12]。半导体金属氧化物（SMOs）由于其出色的化学稳定性、地球丰富性、低毒性和可调节的物理化学性质，是研究最广泛的纳米结构材料之一。SnO₂是一种传统的n型宽带隙半导体（理论带隙为3.6电子伏特），具有高光学透明度、高载流子迁移率和良好的抗光腐蚀性等理想特性[13], [14]。这些特性使SnO₂成为气体传感器、透明导电氧化物（TCOs）、光电子学和异相光催化剂等应用中的理想材料。SnO₂纳米颗粒具有高的光催化活性，在光照下会产生活性氧（ROS），能够非选择性地氧化有机污染物并将其矿化为二氧化碳和水，同时提供了一种环保、可持续且可大规模应用的水处理方法[13], [15], [16]。

大多数关于SnO₂的研究集中在将其作为纯物质用于污染物去除方面，但热力学和动力学障碍限制了其在环境和生物医学应用中的使用。主要瓶颈是其较大的带隙，这使得它只能吸收极少部分的紫外线（太阳辐射的4%），从而大大限制了其光活性。换句话说，它完全无法利用可见光，浪费了这部分光谱[17], [18]。在纯SnO₂中，光生电子-空穴对会迅速复合，导致能量以热的形式释放而非生成活性氧（ROS），这也是纯SnO₂在太阳能驱动过程中效率低下的原因[19], [20]。载流子复合速率较高是影响其光催化效率的主要因素。虽然SnO₂具有较低的抗菌活性，但缺乏快速杀灭病原体的能力。为了解决这个问题，研究团队通常会探索金属离子掺杂或异质结的形成。用银（Ag）、金（Au）和铂（Pt）等贵金属掺杂SnO₂是一个很好的选择[21], [22], [23]。在这些掺杂剂中，银具有显著的优势，包括低成本、固有的抗菌性能和LSPR（表面等离子体共振）效应。将Ag⁺离子引入SnO₂基质中可以产生显著的协同效应。从结构上看，增大Ag⁺阳离子相对于Sn⁴⁺的比例会导致晶格应变，并在带隙顶部形成中等程度的氧空位，这些氧空位起到浅陷阱的作用。当建立异质结界面时，Ag掺杂剂会作为电子陷阱；光诱导的电子会迅速从SnO₂导带迁移到Ag纳米颗粒上，形成肖特基势垒，从而将电子和空穴分离，使载流子复合减少90%，并显著延长活性空穴和电子的寿命。此外，SnO₂表面的银不仅可以破坏微生物膜，释放出具有杀菌作用的Ag⁺离子，还能抑制微生物DNA的复制[22], [24], [25]。

在本研究中，我们通过水热法合成了Ag掺杂的SnO₂纳米颗粒，并使用UV-DRS、FTIR、XRD、FE-SEM-EDX、拉曼光谱和HR-TEM-SAED对其进行了表征。这些合成材料被用于染料降解和气体传感性能测试。该研究评估了这些纳米材料在两个方面的应用：光催化降解罗丹明B和抗菌活性。在pH 5的条件下，不同催化剂用量下进行了染料降解测试，结果显示90分钟内去除率为99.14%。与商业药物（如阿米卡星和两性霉素B）相比，5% Ag掺杂的SnO₂纳米复合材料在抗菌测试中表现出优异的结果。从结构上看，Ag掺杂改善了环境治理和抗菌功能。这些纳米复合材料成本低廉、环保，有望用于水处理和对抗抗菌药物耐药性。

章节摘要

材料

本研究中使用的所有化学试剂均为分析纯（AR）级别的，无需进一步纯化。锡和银的前体分别为五水合氯化錫（SnCl₄5H₂O，纯度≥98%，CAS：10026-06-9，Merck Specialties Pvt. Ltd.，印度孟买）和硝酸银（AgNO₃，纯度≥99%，CAS：7761-88-8，Sigma-Aldrich，美国密苏里州圣路易斯）。氢氧化钠颗粒（NaOH，纯度≥97%，CAS：1310-73-2，Loba Chemie Pvt.，印度）被用作沉淀剂。

光学性质分析

图2显示了不同Ag掺杂水平（1%、3%和5%）纳米颗粒的UV-DRS表征结果。三种样品的UV-Vis光谱中都显示出明显的吸收峰。1%、3%和5% Ag掺杂样品的吸收峰分别位于236 nm、238 nm和251 nm。随着Ag掺杂浓度的增加，吸收峰向红光区域移动。

抗菌活性

通过琼脂孔扩散法测试了纯SnO₂、1% Ag掺杂SnO₂、3% Ag掺杂SnO₂和5% Ag掺杂SnO₂纳米颗粒对多种临床重要细菌和真菌菌株的体外抗菌和抗真菌活性。阿米卡星（30 mcg）和两性霉素B（20 mcg）分别作为细菌和真菌的阳性对照。阴性对照使用生理盐水。

罗丹明B染料降解

使用罗丹明B染料评估了纯SnO₂和Ag掺杂SnO₂（1%、3%和5%）的光催化活性。实验在最佳酸性条件（pH 5）下进行，RhB浓度为10 ppm。测试了两种催化剂用量（50 mg，图13；100 mg，图14），样品光照时间最长为180分钟。通过观察553 nm处RhB吸收峰的减弱程度来衡量降解效果。

结论

通过简单且低成本的水热方法合成了高纯度的SnO₂和不同Ag掺杂量（1%、3%和5%）的SnO₂。结构和光学表征表明形成了单一相的高浓度Ag⁺四方金红石相，晶格中存在缺陷和氧空位，同时带隙明显缩小。通过这些改性，最终获得了能够在可见光下活化的光催化剂。

CRediT作者贡献声明

Priyanka Tandale：研究工作、数据分析、概念化。 Sarika Shinde：软件使用、资源管理、项目协调、方法设计。 Narendra Patil：文本撰写与审稿、初稿撰写。 Ganesh Patil：可视化分析、结果验证、项目监督。

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