利用罗望子（Tamarindus indica）种子提取物绿色组装氧化石墨烯辅助的五氧化二钒纳米复合材料，用于结晶紫染料吸附、抗菌及抗氧化应用

《Sustainable Chemistry One World》：Green assembly of a graphene oxide -assisted V?O? nanocomposite using tamarindus indica seed extract for crystal violet dye adsorption, antibacterial, and antioxidant applications

　　

摘要

采用罗望子种子提取物作为还原剂和包覆剂，通过绿色合成方法合成了氧化石墨烯辅助的五氧化二钒纳米复合材料。本研究的创新之处在于利用罗望子种子提取物对V₂O₅与GO进行绿色组装，制备出兼具染料吸附、抗菌和抗氧化性能的多功能复合材料。通过FTIR、XRD、FE-SEM、BET和Zeta电位研究分析了所制备纳米复合材料的结构，确认了纳米复合材料的形成。所合成材料的BET比表面积为153.841 m²g^?1。在pH值为2、吸附剂用量为10 mg、初始染料浓度为15 mgL^?1、接触时间为120 min的条件下，结晶紫(CV)的最佳吸附效果得以实现，最大吸附容量为92.49 mg/g，去除效率为92.52%。吸附过程符合拟二级动力学模型和Langmuir等温线模型，而热力学研究证实该过程是自发且有利的。该纳米复合材料对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S. aureus)和革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)表现出显著的抗菌活性，抑菌圈(ZOI)直径分别为14 mm和10 mm，并且DPPH自由基清除率最高达到83.37%。可以得出结论，通过绿色方法合成的氧化石墨烯辅助V₂O₅纳米复合材料是一种生态友好的多功能材料，在环境应用领域具有巨大潜力。

引言

制造业的快速发展对工业废水产量的增加起到了显著推动作用。由于有机染料在造纸、纺织、皮革、化妆品和食品加工等领域的广泛应用，废水中经常含有有机染料。有机染料具有强烈的致突变性和致癌性，其芳香族结构赋予了它们化学稳定性，使其难以被生物降解[1]。结晶紫(CV)染料是环境中最常见的工业污染物之一。CV是一种具有芳香族结构的阳离子染料，广泛应用于纺织、造纸和农业化学领域。它进入水中会使水呈现不愉快的颜色，导致水不适合饮用或其他用途[2,3]。此外，这些染料难以降解，长期暴露可能对生物体有害。保持水源的纯净至关重要。因此，持续努力从水中消除此类污染物至关重要[4]。为从废水中消除染料污染物，已开发和研究了多种废水处理策略[5,6]。这些技术包括絮凝、沉淀、离子交换、膜过滤、辐照和臭氧处理等过程。然而，这些方法可能成本高昂，并产生大量污泥或导致污染物漂移。在这些方法中，吸附是最常用于三级处理工业废水的技术，因为它操作简单，且与其他方法相比成本相对较低[7]。近年来，新型碳基吸附剂的开发因其出色的吸附能力而备受关注。氧化石墨烯(GO)作为一种特别引人注目的碳基先进纳米材料，具有由sp2杂化碳原子组成的蜂窝状晶格的二维碳纳米结构[8,9]。GO表现出巨大的理论比表面积2630 m²g^?1、优异的化学稳定性、出色的光学透明度、高电子迁移率、优良的导热性和惊人的弹性。因此，GO被认为是适用于多种应用的理想材料，包括传感器[9,10]、晶体管、催化、抗菌解决方案和环境污染物管理[11,12]。还原氧化石墨烯(rGO)和GO的抗菌性能主要由GO纳米片的高长径比锐利边缘触发，这些边缘会破坏细胞膜，从而导致细胞内物质外泄[13]。过渡金属氧化物，包括ZnO、TiO2、CuO和V₂O₅，因其独特的特性而备受关注，这些特性增强了各种重要应用。其中，V₂O₅ (3d⁰, V⁺⁵)在热力学上最为稳定，是V-O框架中最饱和的氧化物。它形成正交晶系结构(空间群Pmmn)[14]。钒中的空d轨道表现出LUMO特性，作为Lewis酸位点，而桥氧原子的孤对电子具有HOMO特性，作为Lewis碱位点。该氧化物被归类为n型半导体，由于其层状晶体结构，有利于形成插层化合物，因此在光催化过程、吸附、抗菌应用和储能解决方案等多种用途中具有重要意义[15]。因此，考虑到V₂O₅纳米颗粒在GO平台上的协同优势和装饰作用，GO辅助的V₂O₅纳米复合材料(NCs)可被视为用于提取污染物的有前景的吸附剂。然而，传统合成技术经常使用有毒化学物质，并需要大量能源消耗。因此，采用种子提取物的环保合成方法作为一种更可持续的替代方案已被研究。这些绿色合成方法通常使用生物材料，可能会在纳米颗粒表面留下残留的有机化合物[16]。这些化合物作为包覆剂，可以增强颗粒的尺寸、形状和稳定性[17,18]。

在本工作中，我们利用基于罗望子(Tamarindus indica)种子提取物的绿色合成方法制备了氧化石墨烯辅助的氧化钒(GO/V₂O₅)纳米复合材料。采用XRD、FESEM、FTIR和BET比表面积分析系统地分析了所制备的纳米复合材料，以验证其表面特性、形貌和结晶性。此外，它对CV染料表现出显著的吸附效率，这可归因于染料分子与纳米复合材料界面处的表面络合和π-π堆积作用。此外，该物质表现出令人振奋的抗氧化和抗菌活性，凸显了其在生物医学和环境应用方面的多功能潜力。尽管GO辅助V₂O₅纳米复合材料和植物介导的绿色合成已有广泛报道，但使用罗望子种子提取物绿色合成GO辅助V₂O₅纳米复合材料及其对CV吸附、抗菌和抗氧化活性的综合评价仍然有限。因此，本研究通过开发可持续的多功能GO辅助V₂O₅纳米复合材料用于环境应用，填补了这一空白。

章节片段

材料

本工作中使用的化学品均为分析纯级，使用前未进行进一步纯化。样品合成中使用了以下材料：石墨片(酸处理99%，Loba Chemie Pvt. Ltd.)、硝酸钠(98%，Loba Chemie Pvt. Ltd.)、高锰酸钾(99%，Merck Pte. Ltd.)、过氧化氢(98%，Loba Chemie Pvt. Ltd.)、硫酸(98%，Merck Pte. Ltd.)和盐酸(98%，Loba Chemie Pvt. Ltd.)。此外，铵

FTIR光谱

所合成材料的FTIR光谱显示了多种特征官能团和振动。2906 cm^?1处的宽吸收带归因于表面羟基和水分子的O-H键伸缩振动。羰基(C=O)伸缩振动对应于1678.99 cm^?1处的峰。1064 cm^?1处的吸收峰与C-O伸缩振动模式相关。此外，866.03 cm^?1和746.45 cm^?1处的谱带

吸附机理

GO辅助V₂O₅纳米复合材料对CV染料的吸附是染料分子与吸附剂表面之间物理和化学作用的结合。主要贡献是CV染料分子从体相向纳米复合材料表面转移。静电吸引不太可能在吸附过程中发挥主要作用，因为预期会出现质子竞争和吸附剂表面质子化现象

染料吸附后样品的XRD和FTIR光谱

CV染料吸附后的GO辅助V₂O₅纳米复合材料的XRD图谱在2θ = 25.6°、47.0°、50.18°和61.1°处显示明显的衍射峰，分别可索引为(002)、(130)、(102)和(231)晶面。25.6°(002)和50.18°(102)处的峰归因于GO组分，而47.0°(130)和61.1°(231)处的峰与V₂O₅相相关。根据观察到的衍射特征，纳米复合薄膜V₂O₅/GO的基本晶体结构为

结论

目前的研究工作已成功证明了使用罗望子种子提取物作为环保还原剂和稳定剂的GO辅助V₂O₅纳米复合材料的绿色合成。所得纳米复合材料具有预期的结构和形貌特性，证实了其成功形成。该纳米复合材料对CV染料表现出高吸附容量，在最优化条件下达到最大吸附容量92.49 mg/g。观察到吸附过程

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

Garima感谢喜马偕尔邦中央大学提供研究奖学金。

Garima|Ashif Choudhary|Dixit Sharma|Vivek Sheel