多功能锌铁氧体纳米颗粒的水热生产：在肥料、超级电容器电极和NPK传感器中的应用

2025-04-25 Fri
学术背景随着全球人口的持续增长，预计到2050年世界人口将达到100亿，特别是在发展中国家，粮食需求将大幅增加。印度作为世界上人口最多的国家，需要将农作物产量提高50%以满足食品、燃料和其他物品的需求。然而，农民面临着资源有限和专业知识不足的挑战，如何在有限的条件下提高农作物产量成为了一个亟待解决的问题。传统肥料的使用虽然在一定程度上提高了产量，但也带来了过度施肥、环境污染和资源浪费等问题。因此，开发新型高效肥料成为了农业研究的重要方向。
与此同时，能源存储技术也在快速发展，超级电容器作为一种高效的储能设备，因其高功率密度和长循环寿命而备受关注。然而，传统电极材料的性能仍有待提升。纳米材料因其独特的物理化学性质，在农业和能源存储领域展现出巨大的应用潜力。锌铁氧体（ZnFe₂O₄）作为一种尖晶石铁氧体，具有优异的电化学性能和磁性，近年来在多个领域得到了广泛研究。然而，如何将锌铁氧体纳米颗粒应用于农业肥料、超级电容器电极和土壤养分传感器，仍是一个有待深入探索的课题。
论文来源本论文由M. Ajitha、K. Selvarani、Subash C. B. Gopinath和T. Theivasanthi共同撰写，分别来自印度Kalasalingam研究与教育学院的石墨烯解决方案实验室、农业科学学院，以及马来西亚Perlis大学的化学工程与技术学院和纳米电子工程学院。论文于2025年4月2日被接受，并发表在《Bionanoscience》期刊上，DOI为10.1007/s12668-025-01925-3。
研究流程1. 锌铁氧体纳米颗粒的合成与表征研究首先采用水热法合成了ZnFe₂O₄纳米颗粒。具体步骤如下：
1. 材料准备：使用硝酸锌（Zn(NO₃)₂）、硝酸铁（Fe(NO₃)₃）、氢氧化钠（NaOH）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为前驱体。
2. 水热反应：将前驱体溶解在双蒸水中，搅拌后转移到100 mL的聚四氟乙烯内衬高压釜中，在165°C下反应16小时。
3. 离心与干燥：反应后，通过离心和干燥得到深棕色粉末。
合成的纳米颗粒通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDAX）等技术进行了表征。XRD分析确认了纳米颗粒的立方尖晶石结构，晶粒尺寸为40.11 nm。FTIR光谱显示了样品中的功能基团，SEM图像展示了纳米颗粒的形貌，EDAX分析则确认了Zn和Fe的原子百分比。
2. 纳米颗粒在农业中的应用研究评估了ZnFe₂O₄纳米颗粒作为纳米肥料对番茄、菠菜和几种小米生长的影响。具体实验步骤如下：
1. 纳米肥料制备：将ZnFe₂O₄纳米颗粒悬浮在双蒸水中，浓度为5 µM，超声处理以确保均匀分布。
2. 植物处理：将纳米肥料应用于番茄、小米和菠菜的土壤中，定期记录植物生长情况。
3. 生长参数测量：5周后，测量植物的根长、茎长、叶片数量和干重。
实验结果表明，使用ZnFe₂O₄纳米肥料的植物在生长参数上显著优于对照组。例如，番茄的茎长从68 cm增加到102 cm，根长从20 cm增加到23.5 cm，叶片数量从92片增加到164片。纳米肥料通过提高锌和铁的吸收效率，促进了植物的生长和产量。
3. 纳米颗粒在超级电容器中的应用研究还探索了ZnFe₂O₄纳米颗粒作为超级电容器电极的性能。具体实验步骤如下：
1. 电极制备：将80 wt%的ZnFe₂O₄纳米颗粒与5 wt%的聚偏氟乙烯（PVDF）和15 wt%的乙炔黑混合，涂覆在镍箔上，干燥后用于电化学测试。
2. 电化学测试：在1 M KOH电解液中，使用循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）评估电极性能。
实验结果显示，ZnFe₂O₄纳米颗粒电极在1 A/g的电流密度下表现出360 F/g的比电容，并且在2400次循环后仍保持93.1%的循环稳定性。这表明ZnFe₂O₄纳米颗粒具有优异的电化学性能和长期稳定性，适合用于超级电容器。
4. 纳米颗粒在土壤养分传感器中的应用研究还开发了一种基于ZnFe₂O₄纳米颗粒的土壤养分传感器，用于检测氮（N）、磷（P）和钾（K）的含量。具体实验步骤如下：
1. 传感器制备：将ZnFe₂O₄纳米颗粒与不同浓度的N、P、K溶液混合，超声处理后进行UV-Vis光谱分析。
2. 光谱分析：记录200-800 nm波长范围内的吸收光谱，分析不同浓度下的光谱变化。
实验结果表明，随着N、P、K浓度的增加，UV-Vis吸收光谱的峰值强度也随之增加。这表明ZnFe₂O₄纳米颗粒可以作为一种高效的土壤养分传感器，用于实时监测土壤中的养分含量。
研究结果与结论通过水热法成功合成了ZnFe₂O₄纳米颗粒，并对其结构、形貌和性能进行了详细表征。研究发现，ZnFe₂O₄纳米颗粒在农业、能源存储和土壤养分检测中均表现出优异的性能：
1. 农业应用：作为纳米肥料，ZnFe₂O₄显著促进了番茄、小米和菠菜的生长，提高了植物的营养吸收效率和产量。
2. 能源存储：作为超级电容器电极，ZnFe₂O₄纳米颗粒表现出高比电容和优异的循环稳定性，适合用于高效能源存储设备。
3. 土壤检测：作为NPK传感器，ZnFe₂O₄纳米颗粒能够通过UV-Vis光谱实时监测土壤中的氮、磷、钾含量。
研究亮点多功能应用：本研究首次将ZnFe₂O₄纳米颗粒同时应用于农业肥料、超级电容器电极和土壤养分传感器，展示了其在多个领域的广泛应用潜力。
高效性能：ZnFe₂O₄纳米颗粒在农业中显著提高了植物的生长效率，在能源存储中表现出高比电容和长循环寿命，在土壤检测中实现了实时监测。
绿色合成：采用水热法合成ZnFe₂O₄纳米颗粒，工艺简单、成本低廉，适合大规模生产。
研究意义本研究为农业、能源存储和土壤检测领域提供了新的解决方案。ZnFe₂O₄纳米颗粒的多功能应用不仅提高了农业生产的效率，还为能源存储设备提供了高性能电极材料，同时实现了土壤养分的实时监测。这些成果对推动可持续农业和清洁能源技术的发展具有重要意义。