结构-性能相关性及共沉淀氧化镧纳米粒子在自然阳光下的多功能性能

《Catalysis Today》：Structure-Property Correlation and Multifunctional Performance of Co-Precipitated Lanthanum Oxide Nanoparticles under Natural sunlight

La?O?纳米颗粒通过共沉淀法合成并经700-900°C煅烧，系统研究结构演变与光催化、抗菌及电化学性能的关系。XRD和显微镜分析显示煅烧温度影响结晶度、粒径及表面特性，800°C样品在自然阳光下的有机染料降解效率最高，同时表现出显著抗菌性和电化学储能能力。

　　

S. Abish | S. Sivakumar

物理系，阿纳马莱大学，阿纳马莱纳加尔，奇丹巴拉姆，泰米尔纳德邦 608 002，印度

摘要

通过简单的共沉淀方法制备了氧化镧（La₂O₃）纳米颗粒，并在不同温度（700-900 °C）下进行煅烧，以研究结构演变与多功能性能之间的相关性。X射线衍射和电子显微镜分析证实了这些纳米颗粒为纯六方相的La₂O₃，其结晶度和形貌随温度变化。考虑到La₂O₃的宽带隙特性，通过自然阳光辅助下的有机染料光降解来评估其光催化性能，而非传统的可见光光催化。在800 °C下煅烧的样品表现出增强的光降解效率，这归因于结晶度的提高、适中的颗粒大小、表面缺陷状态以及富含羟基的表面，这些因素有利于活性氧的生成。此外，La₂O₃纳米颗粒还表现出显著的抗菌和抗真菌活性，并具有有希望的电化学电容性能。本研究明确了La₂O₃纳米颗粒的结构-性能-功能关系，并强调了煅烧温度作为利用环境相关的自然光源实现单一稀土氧化物系统多功能性的关键参数。

引言

氧化镧（La₂O₃）是一种具有宽带隙的稀土金属氧化物，近年来在光催化相关过程、抗菌涂层和电化学储能应用中受到了广泛关注[1]。作为稀土氧化物，La₂O₃具有优异的化学稳定性、宽带隙和高离子导电性，使其适用于多种功能用途[2]。 La₂O₃纳米颗粒的抗菌活性尤其受到关注，因为人们对有效对抗耐药性病原体的需求日益增加。这些纳米颗粒主要通过生成活性氧（ROS）、破坏细胞膜和干扰细胞代谢过程来发挥广谱抗菌作用[3]。它们的高表面积化学性质增强了与微生物细胞壁的相互作用[4]，从而提高了抗菌性能，同时对健康细胞的细胞毒性相对较低[5]。 在电化学应用中，La₂O₃纳米颗粒因其高离子导电性和电化学稳定性而用作电极材料和电催化剂。这些性质有助于提高超级电容器和电池等设备中的能量存储和离子传输[6]。此外，基于La₂O₃的材料在电化学反应（包括氧还原和氧释放）中表现出催化活性，显示出其在燃料电池和电催化应用中的潜力[7]。 尽管La₂O₃已被用于光催化应用，但其宽带隙限制了传统的可见光驱动光催化[8],[9]。因此，报道的光催化活性主要与紫外线照射或缺陷介导的表面过程相关[9]。在这种情况下，特别是在使用自然阳光时，明确区分可见光光催化和阳光辅助光降解是至关重要的[10]。 为了在这些关键应用中最大化其性能，必须合成具有可控尺寸、结晶度和表面特性的La₂O₃纳米颗粒，并对其结构参数进行控制[1],[8]。已经报道了多种合成方法，包括溶胶-凝胶法、水热法、简单合成法、化学共沉淀法和燃烧法[11],[12],[13],[14],[15],[16]。然而，尽管多项研究报道了La₂O₃纳米颗粒在光催化[8],[9]、抗菌活性[2]或电化学储能[6]等单一应用中的性能，但对于煅烧温度如何同时控制La₂O₃系统内的结构-性能-功能关系的全面理解仍然有限。 在本研究中，通过共沉淀法制备了La₂O₃纳米颗粒，并使用热重分析（TG-DTA）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光漫反射光谱（UV-DRS）、光致发光（PL）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）结合能量分散X射线分析（EDAX）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）结合选区电子衍射（SAED）以及X射线光电子能谱（XPS）对其进行了表征。系统研究了它们的电化学性能、阳光辅助光降解性能和抗菌性能。结果表明，煅烧温度在调节结构、光学和功能性能方面起着关键作用，从而优化了La₂O₃纳米颗粒的多功能应用。

材料

Sigma-Aldrich公司提供了氯化镧（III）水合物（LaCl₃.H₂O，99.9%）（CAS号211605）、氢氧化钠（NaOH）（CAS号1.06469）、亚甲蓝染料（CAS号M9140）和亮绿染料（CAS号B6756），这些材料未经额外纯化即可使用。整个合成过程中使用双蒸馏水作为溶剂，而乙醇仅用于清洗。

La₂O₃纳米颗粒的制备

La₂O₃纳米颗粒是通过化学共沉淀方法制备的，具体过程如图所示

La₂O₃纳米颗粒的热表征

在空气环境中进行TG和DTA分析以评估样品的热稳定性。图3显示了使用0.2 M浓度制备的前体的热分析谱。样品在0-1000 °C温度范围内的TG/DTA分析谱显示了三个主要的重量减少阶段。从室温到170 °C的初始阶段，重量损失约为17%，主要是由于表面松散附着的物质

结论

本研究通过简单的共沉淀方法成功制备了La₂O₃纳米颗粒，并在700-900 °C下进行系统煅烧，以研究结构评估与多功能性能之间的相关性。发现煅烧温度对结晶度、颗粒大小、表面缺陷密度和形貌有重要影响，这些因素共同决定了样品的阳光辅助光降解、抗菌和电化学性能。

资助

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。

数据可用性声明

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

S. Abish：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、方法论、概念化。 S. Sivakumar：监督、项目管理、方法论、研究、数据管理、概念化。

未引用的参考文献

[39],[40],[41]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢泰米尔纳德邦阿纳马莱纳加尔阿纳马莱大学的物理系提供的宝贵指导和支持。作者还感谢该校的CISL（集中仪器和服务实验室）在La₂O₃纳米颗粒表征方面提供的仪器和技术支持。