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作者及研究机构
本研究由S. C. Tudu、M. Zubko、J. Kusz和A. Bhattacharjee共同完成。作者分别来自印度的Visva-Bharati University物理系、波兰的University of Silesia材料科学研究所、捷克University of Hradec Králové物理系以及波兰University of Silesia物理研究所。研究发表于Applied Physics A期刊，并于2021年1月9日在线发表。

学术背景
本研究属于纳米材料科学领域，主要关注绿色合成（green synthesis）方法制备硫化镉（CdS）纳米颗粒（nanoparticles, NPs）。传统纳米颗粒合成方法通常依赖于有毒化学物质和高能耗，而绿色合成利用生物系统（如植物提取物、细菌和真菌）作为还原剂，具有环保、可持续、低成本且适合大规模生产的优势。近年来，绿色合成方法因其环保性和高效性受到广泛关注。

CdS纳米颗粒是一种典型的II-VI族半导体材料，具有独特的光学性质，尤其是在量子尺寸效应（quantum size effect）下表现出与块体材料不同的特性。本研究旨在探索一种简单、低成本且环保的CdS纳米颗粒合成方法，并研究其结构、光学和形态特性。研究中使用了Termitomyces heimii蘑菇提取物作为绿色还原剂和封端剂（capping agent），以实现CdS纳米颗粒的绿色合成。

研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
1. 蘑菇提取物制备
- 从印度西孟加拉邦的农村地区采集Termitomyces heimii蘑菇，清洗并风干两周后研磨成小块。
- 将10克蘑菇碎片与150毫升去离子水煮沸1小时，冷却后过滤，得到深棕色的蘑菇提取物（TME），pH值为6.55。

1. CdS纳米颗粒的绿色合成

   • 制备50毫升0.1 M的硝酸镉（Cd(NO₃)₂）水溶液，加入5毫升TME，随后逐滴加入50毫升0.1 M的硫化钠（Na₂S）水溶液。
     
   • 溶液颜色从浅棕色变为橙色，表明CdS纳米颗粒的形成。反应在60-80°C下搅拌16小时，避光进行。
     
   • 通过改变TME的用量（5、7.5和10毫升），合成了三种不同的CdS样品：CdS-A、CdS-B和CdS-C。
     

2. 物理表征

   • X射线衍射（XRD）：使用Empyrean粉末衍射仪对样品进行XRD分析，确定晶体结构和晶粒尺寸。
     
   • 紫外-可见光谱（UV-Vis）：使用Beckman Coulter DU 720光谱仪测量样品的吸收光谱，计算带隙能量（band gap energy）。
     
   • 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）：使用Perkin Elmer光谱仪分析样品的化学组成，确认CdS的形成以及蘑菇提取物中蛋白质的存在。
     
   • 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）：分别使用JEOL JSM-6480和JEOL JEM 3010仪器观察样品的形貌和尺寸分布。
     
   • 能量色散X射线光谱（EDX）：分析样品的元素组成，确认Cd和S的存在。
     

3. 数据分析

   • 使用Scherrer公式和Rietveld精修方法从XRD数据中计算晶粒尺寸和晶格参数。
     
   • 通过Brus方程和经验公式从UV-Vis数据中估算纳米颗粒的尺寸。
     
   • 使用ImageJ软件分析TEM图像，统计纳米颗粒的尺寸分布。
     

主要结果
1. 结构特性
- XRD分析表明，所有CdS样品均具有六方纤锌矿（wurtzite）结构，晶粒尺寸在2.4-3.9纳米范围内，且随TME用量的增加而减小。

1. 光学特性

   • UV-Vis光谱显示，CdS-A、CdS-B和CdS-C的吸收峰分别位于479、446和435纳米，对应的带隙能量分别为2.591、2.783和2.853 eV。由于量子限制效应，吸收峰随颗粒尺寸减小而蓝移。
     

2. 形态特性

   • SEM和TEM图像显示，CdS纳米颗粒呈球形，尺寸分布在2-4纳米范围内，与XRD和UV-Vis的结果一致。
     

3. 化学组成

   • FT-IR光谱证实了CdS的形成以及蘑菇提取物中蛋白质的存在，这些蛋白质可能作为封端剂稳定了纳米颗粒。
     
   • EDX分析表明，样品中仅含有Cd和S元素，无其他杂质。
     

结论
本研究成功开发了一种利用Termitomyces heimii蘑菇提取物绿色合成CdS纳米颗粒的方法。合成的CdS纳米颗粒具有六方纤锌矿结构，尺寸小于5纳米，且通过调节TME的用量可以控制颗粒尺寸。研究还发现，蘑菇提取物中的蛋白质在纳米颗粒的形成和稳定过程中起到了关键作用。该方法具有简单、低成本、环保且适合大规模生产的优势，为CdS纳米颗粒的绿色合成提供了新的策略。

研究亮点
1. 创新性：首次使用Termitomyces heimii蘑菇提取物作为绿色还原剂和封端剂合成CdS纳米颗粒。
2. 环保性：该方法避免了有毒化学物质的使用，符合绿色化学原则。
3. 可控性：通过调节蘑菇提取物的用量，实现了对纳米颗粒尺寸的精确控制。
4. 应用潜力：合成的CdS纳米颗粒在光电子器件、催化和生物医学领域具有广泛的应用前景。

其他价值
本研究不仅为CdS纳米颗粒的绿色合成提供了新的方法，还为探索其他生物源材料在纳米材料合成中的应用提供了参考。未来的研究可以进一步优化合成条件，探索其他生物源材料在纳米材料合成中的潜力。