在阳光照射下，掺镍的Fe–Ce氧化物纳米复合材料的光催化和抗菌性能得到增强

《Optical Materials》：Enhanced Photocatalytic and Antibacterial Performance of Ni-Doped Fe–Ce Oxide Nanocomposites under Sunlight Irradiation

　　

J. Shanthini|T. Amutha|M. Hemamalini|Jothi Ramalingam Rajabathar|Selvaraj Arokiyaraj|S. Jose Kavitha|S.Sasi Florence

印度泰米尔纳德邦科达伊卡纳尔市圣特蕾莎妇女大学化学系，邮编624101

摘要

通过水热合成法，并结合初期湿润浸渍技术，制备出了Ni:Fe:Ce氧化物摩尔比为3:3:3、3:3:5和3:3:7的铈铁镍氧化物介孔纳米复合材料。采用X射线粉末衍射（PXRD）对纳米复合材料进行了表征，证实了晶体金属氧化物的形成。扫描电子显微镜（SEM）观察结果显示，所有组分的表面形态均清晰可见，主要呈现钻石状和金字塔状结构。能量色散X射线（EDX）分析证实Fe、Ce、Ni元素已有效掺入基体中，其元素比例与预期化学计量比高度吻合。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）研究揭示了Ni:Fe:Ce氧化物比例对表面组成的影响。紫外-可见光（UV-Vis）分析表明这些材料的带隙值在2.5至3.2电子伏特范围内，表明它们适用于光催化应用。这些纳米复合材料被用于光催化降解甲基蓝，其中3:3:7的Ni:Fe:Ce氧化物比例表现出较高的降解效率。通过琼脂孔扩散法评估了其对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的抗菌活性，结果表明Ni:Fe:Ce氧化物纳米复合材料具有中等程度的抗菌活性。

引言

纳米复合材料是一种多相材料，其中至少有一种组分的尺寸在纳米范围内[1]。它们出色的性能源于高表面积与体积比以及各组分之间的强界面相互作用，从而实现了单一材料无法实现的协同增强效果[2]。由于这些优势，纳米复合材料在电子学、光子学、生物技术和先进功能材料等领域受到了广泛关注[3]。基于量子点的纳米复合材料的最新发展进一步扩展了基础研究和技术创新的机会[4]。铈、铁和镍氧化物因其独特的物理化学性质而受到广泛研究。特别是铈氧化物（CeO₂），它具有可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环，能够形成氧空位并实现电子向相邻金属位点的有效转移[5]，[6]。将金属掺入可还原的载体（如CeO₂）中可以调节电子结构并提升催化性能。双金属或多金属催化剂中的协同作用通常能提高活性、选择性和稳定性[7]。Fe–Ni催化剂比单金属催化剂表现更好[8]，而Fe–Ce组合也显示出更优异的催化性能[9]，[10]。三元Fe–Ni–Ce催化剂在费托合成中也表现出增强的活性，这突显了多组分系统的优势[11]，[12]，[13]。此外，NiO–CeO₂纳米复合材料在甲醇分解中也表现出优异的催化活性[14]。甲基蓝（MB）等有机染料在纺织、皮革和染料工业中广泛使用，但它们是水污染的主要来源[15]。这些染料复杂的芳香结构使其具有高稳定性，但对人类健康和环境可能有害[16]，[17]，[18]。尽管存在多种处理方法，但由于吸附方法的简单性和成本效益，它仍然被广泛使用[19]。然而，光催化提供了一种更可持续的替代方案，因为它不需要使用有害化学物质且不会产生二次污染物[20]。基于半导体的光催化剂已被证明能有效降解各种有机和合成污染物，包括染料和新兴污染物[21]。Ag–TiO₂ [22]，[23]和氧化石墨烯–Cu₂O复合材料[24]等材料展示了定制纳米结构在光催化应用中的潜力。金属和金属氧化物半导体光催化剂在环境修复中发挥着重要作用，能够生成高活性的氧化物种，将污染物矿化为无害的最终产物（如CO₂和H₂O）[25]，[26]。

鉴于掺镍的Fe–Ce氧化物体系具有良好的催化性能，本研究旨在通过系统设计和评估不同组成的Ni–Fe–Ce氧化物纳米复合材料来推进现有知识。与以往主要关注二元或单一比例三元氧化物的研究不同，本研究对三种不同摩尔比（3:3:3、3:3:5和3:3:7）合成的Ni–Fe–Ce纳米复合材料进行了成分依赖性的研究。这些材料通过PXRD、UV–Vis、PL、FTIR、SEM和EDX等手段进行了全面表征，以阐明不同金属比例对其结构、形态和光学特性的影响。本研究的新颖之处在于系统地将Ni:Fe:Ce组成与光催化性能（特别是在阳光下的甲基蓝降解能力）联系起来。通过进一步加入抗菌活性评估，突显了这些纳米材料的双重功能。这种综合方法揭示了Ni、Fe和Ce氧化物之间的成分协同作用如何提高光催化和抗菌效率。

部分摘录

合成

用于合成Ni:Fe:Ce氧化物纳米复合材料的是分析级前驱体FeCl₃·6H₂O、CeCl₃·7H₂O、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和NiCl₂·6H₂O（均来自Merck India，纯度99.9%）。采用模板辅助的水热法制备了一系列Fe:Ce和Ni:Fe:Ce摩尔比为3:3、3:3:3、3:3:5的铁-铈-镍氧化物纳米复合材料，分别命名为C1、C2、C3和C4。

晶体结构研究

使用Cu Kα射线（λ = 1.5406 ?）的粉末X射线衍射（PXRD）分析了合成纳米复合材料的晶体相。未掺杂和掺镍样品的PXRD图谱如图1所示。在2θ = 28.76°（111）、33.16°（200）、47.56°（220）、56.50°（311）、59.10°（222）和69.40°（400）处的明显衍射峰对应于立方氟石CeO₂相（空间群Fm $$' role="presentation">$$，JCPDS No. 65-5923）[27]，证实了纳米复合材料的高度结晶性

光催化活性

光催化已被证明是降解合成和有机污染物的有效方法，包括化学物质和染料[62]。掺锌的多壁碳纳米管在降解甲基橙和甲基蓝方面表现出良好的光催化性能。CuO纳米颗粒在降解阿特拉津（Atrazine）方面也显示出高光催化活性[63]。掺硼的纳米钻石TiO₂(101)/Mxene被构建为高效的双异质结光催化剂

结论

通过结合水热法和初期湿润法成功合成了掺镍的铁-铈氧化物纳米复合材料。全面的结构、形态和光学表征证实了高度结晶的、掺镍的铁-铈氧化物纳米材料的形成。PXRD分析显示存在立方氟石CeO₂相，以及少量的Fe₂O₃和NiO相，表明元素有效掺入。SEM和EDX研究证实了颗粒的均匀性

CRediT作者贡献声明

Sasi Florence：撰写 – 审稿与编辑、可视化、数据分析。S. Jose Kavitha：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、项目管理、数据分析。Selvaraj Arokiyaraj：可视化、实验研究、数据分析。Jothi Rajabathar：方法学设计、实验研究、资金申请、数据分析。M. Hemamalini：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、方法学设计、实验研究。T. Amutha：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计

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竞争性财务利益或个人关系。所有作者对这项工作都做出了同等贡献。

致谢：资金支持：

作者（Jothi Ramalingam Rajabathar）感谢沙特阿拉伯利雅得的King Saud University的“Ongoing Research Funding program - Research Chairs (ORF-RC-2026-0200)”项目提供的支持