利用CD掺杂和Ag包覆的CeO2 (IV)纳米颗粒增强硝基苯酚还原、光催化降解及其他潜在生物应用

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绿色合成 CeO2 HRTEM 光催化降解 催化还原 香茅

学术背景

随着纳米技术的快速发展，纳米材料在环境修复、生物医学和能源转换等领域的应用潜力日益受到关注。其中，二氧化铈（CeO₂）纳米颗粒因其独特的氧化还原性能、高稳定性和良好的生物相容性，成为研究的热点。然而，传统的化学合成方法往往使用有毒试剂，产生有害副产物，对环境造成负面影响。因此，开发一种环保、可持续的纳米颗粒合成方法成为当前研究的重点。

绿色合成（Green Synthesis）利用植物提取物作为还原剂和封端剂，不仅减少了对有害化学品的依赖，还提高了纳米颗粒的生物相容性。本研究旨在通过绿色合成方法制备CeO₂纳米颗粒，并通过掺杂镉（Cd）和包覆银（Ag）来增强其光催化、催化还原和生物医学性能，探索其在环境修复和生物医学领域的应用潜力。

论文来源

本论文由Pranali S. Parab、Aniket A. Pawanoji、Komal R. Jarhad和Amol S. Pawar共同撰写，他们均来自印度孟买的K. J. Somaiya College of Science and Commerce化学系。该论文于2025年3月18日被接受，并发表在《Bionanoscience》期刊上，DOI为10.1007/s12668-025-01909-3。

研究流程

1. 纳米颗粒的绿色合成

本研究使用柠檬草（Cymbopogon citratus）叶提取物作为还原剂和封端剂，分别合成了未掺杂的CeO₂纳米颗粒、Cd掺杂的CeO₂纳米颗粒（Cd-CeO₂）和Ag包覆的CeO₂纳米颗粒（CeO₂-Ag）。具体步骤如下：

  • 柠檬草叶提取物的制备：将50克柠檬草叶切碎，加入250毫升蒸馏水，加热至80-90°C，搅拌15-20分钟，过滤后冷藏备用。
  • 未掺杂CeO₂纳米颗粒的合成：将20毫升0.1 M的硝酸铈溶液与柠檬草叶提取物混合，在60-70°C下搅拌2小时，干燥后于600°C煅烧2小时。
  • Ag包覆CeO₂纳米颗粒的合成：在未掺杂CeO₂纳米颗粒的合成过程中加入5%的硝酸银溶液，搅拌12小时，离心分离后干燥。
  • Cd掺杂CeO₂纳米颗粒的合成：在未掺杂CeO₂纳米颗粒的合成过程中加入5%的硫酸镉溶液，搅拌4小时，离心分离后于500°C煅烧2小时。

2. 纳米颗粒的表征

合成的纳米颗粒通过多种技术进行表征，包括紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和能量色散X射线光谱（EDAX）。结果显示，未掺杂CeO₂纳米颗粒的带隙为2.91 eV，Cd-CeO₂和CeO₂-Ag的带隙分别降低至2.64 eV和2.38 eV，表明掺杂和包覆有效调节了纳米颗粒的光电性能。XRD分析证实了纳米颗粒的高纯度和立方萤石结构，SEM和HRTEM图像显示纳米颗粒呈球形，尺寸在3-20 nm之间。

3. 催化还原和光催化降解实验

  • 4-硝基苯酚（4-NP）的催化还原：使用未掺杂和Ag包覆的CeO₂纳米颗粒作为催化剂，在硼氢化钠（NaBH₄）存在下将4-NP还原为4-氨基苯酚（4-AP）。实验结果表明，CeO₂-Ag纳米颗粒的催化效率高达96.53%。
  • 亚甲基蓝（MB）的光催化降解：使用未掺杂和Cd掺杂的CeO₂纳米颗粒作为光催化剂，在紫外光照射下降解MB染料。实验结果显示，Cd-CeO₂纳米颗粒的降解效率为89.56%。

4. 生物医学应用

  • 抗氧化活性：通过DPPH自由基清除实验评估纳米颗粒的抗氧化性能，结果显示，纳米颗粒的抗氧化活性达到70% ± 2%。
  • 抗菌活性：通过琼脂扩散法评估纳米颗粒对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）的抗菌活性，结果显示，纳米颗粒的抑菌圈直径超过17 ± 2 mm。
  • 溶血实验：评估纳米颗粒的溶血活性，结果显示，纳米颗粒的溶血率低于5%，表明其具有良好的生物相容性。

主要结果与结论

本研究通过绿色合成方法成功制备了CeO₂纳米颗粒，并通过掺杂Cd和包覆Ag显著增强了其催化、光催化和生物医学性能。具体结论如下：

  1. 催化性能：Ag包覆的CeO₂纳米颗粒在4-NP的催化还原中表现出高效性，转化率达到96.53%；Cd掺杂的CeO₂纳米颗粒在MB的光催化降解中表现出优异的性能，降解效率为89.56%。
  2. 生物医学性能：纳米颗粒表现出显著的抗氧化和抗菌活性，且溶血率低，表明其在生物医学领域具有潜在应用价值。
  3. 绿色合成的优势：柠檬草叶提取物作为还原剂和封端剂，不仅简化了合成过程，还提高了纳米颗粒的生物相容性和环境友好性。

研究亮点

  1. 绿色合成方法：本研究首次使用柠檬草叶提取物合成CeO₂纳米颗粒，并通过掺杂和包覆调节其性能，为纳米材料的绿色合成提供了新思路。
  2. 多功能纳米颗粒：合成的纳米颗粒在催化、光催化和生物医学领域表现出优异性能，具有广泛的应用潜力。
  3. 环境友好性：绿色合成方法减少了对有害化学品的依赖，符合可持续发展的理念。

研究意义与价值

本研究不仅为CeO₂纳米颗粒的绿色合成提供了新方法，还通过掺杂和包覆技术显著提升了其性能，为环境修复和生物医学应用提供了高效、环保的解决方案。未来研究可进一步优化合成参数，探索纳米颗粒在更多领域的应用潜力。

通过本研究的详细报道，我们可以看到，绿色合成纳米颗粒不仅具有科学价值，还在实际应用中展现出巨大的潜力，为未来的纳米技术发展提供了新的方向。