花状纳米CuO:光催化+抑菌

Biosynthesis of Flower‑Shaped CuO Nanostructures and Their Photocatalytic and Antibacterial Activities

Hafsa Siddiqui *, M. S.Qureshi, Fozia Zia Haque
Nano-Micro Lett.(2020)12:29
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0357-y
本文亮点

1 O. sanctum叶中提取的丁香酚被用作合成CuO纳米花的天然还原剂。

2 CuO纳米花能以90%的效率降解亚甲基蓝。

3 CuO纳米花为耐多药型微生物的失活提供了一种新方法。

内容简介

本文以O. sanctum(Tulsi)叶提取丁香酚为还原剂,通过一种新颖的绿色路线合成了氧化铜纳米花(CuO-NFs)。表征结果表明CuO-NFs具有单斜晶体结构。在120 min内,所制备的CuO纳米花对亚甲基蓝染料分子的光催化降解率达90%。100 μg/mL的浓度下,CuO纳米花对大肠杆菌可以起到很强的抑制作用(抑菌圈27±2 mm),然而在25 μg/mL的浓度下CuO纳米花对本文所研究的细菌有机体有较弱的抑制作用。本文研究结果为CuO-NFs在亚甲基蓝降解和抑制细菌有机体方面具有潜在应用价值提供了重要证据支持。
研究背景

有高比表面积和潜在的尺寸效应使其具有优越的物理和化学性质被广泛研究。同时,它也拥有不同形状和维度的独特结构,例如零维纳米颗粒、一维纳米线、二维纳米片和三维纳米花状等结构。这些独特的结构得到了广泛地应用,例如在太阳能电池、光探测器、锂离子电池、磁存储介质、传感器、光催化等方面。其中有一些重要的创新是针对CuO的制备,涉及到复杂的化学反应和重复性有关的问题。因此,急需找到一种可替代的、环境友好的绿色路线来制备CuO纳米结构。

图文导读

I CuO纳米花的合成机理及形貌分析

本文选用从O. sanctum (Tulsi)叶中提取的丁香酚作为反应的封端剂和稳定剂。由于丁香酚含羟基和甲氧基基团可以与Cu2+形成配合物,并结合“Job’smethod”推测丁香酚与Cu2+可能以图1(a,b)中的方式形成配合物。在碱性条件下,OH离子与Cu2+配位,控制反应过程导致成核,从而生成CuO胶束结构。这些胶束结构通过范德华力和氢键相互作用形成网络结构,最终形成花瓣状纳米结构。本文作者通过对CuO纳米花的微观结构进行分析,从而让读者更加形象地理解其生长机理。从SEM图像可以观察到,每个独立的CuO纳米花由不同的方向上具有均匀尺寸的三角形花瓣状分支构成。每个花瓣的根部彼此相互作用并固定在一个中心上从而组成了美丽的CuO纳米花形貌。每个花瓣的长度在150-200 nm,花瓣根部的直径在30-50 nm,花瓣尖部的直径在20-30 nm。从TEM照片可以观察到每个花瓣由许多的微小颗粒组成,并从SAED花样可以得到CuO纳米花具有结晶的特点。

图1 (a,b)铜-丁香酚配合物晶体生长机制示意图;CuO纳米花(c)不同尺寸的SEM图像,(d)EDX谱图,(e)TEM图像,(f)SADE图像。

II CuO纳米花的结构及光谱分析

通过XRD谱图可以分析得到所制备的材料中CuO相占主要部分。通过拉曼谱图可以看出,在波长227.3 cm-1处的峰可归于低频下的Ag振动模式,主要来自于单斜相中Cu和O原子的相内外旋转。和振动模式分别归于CuO单斜晶结构中Cu-O键的弯曲振动和对称氧伸缩振动,这与XRD得出的结论是一致的。将Cu 2p轨道的XPS谱图拟合为四个峰,其中包含两种自旋轨道线分别命名为SP-1和SP-2,相比于主峰的位置它们位于更高的结合能上,从此推断出存在空的Cu-3d9壳层也验证了样品中Cu2+的存在。Cu 2p3/2和Cu 2p1/2的结合能相差~19.9 eV,进一步证实了CuO的存在。

图2 CuO纳米花(a)精修后的XRD谱图;(b)拉曼谱图;(c)Cu 2p轨道的XPS谱图;(d)O1s轨道的XPS谱图。

III CuO纳米花的光催化和抗菌性能测试

从不同光催化时间下的亚甲基蓝染料吸收光谱的变化可以发现,随着光催化时间从0 min增加到120 min,在663 nm处的最强吸收峰的强度从0.66 a.u.减小到0.04 a.u.,并在整个光催化降解反应过程中没有新的吸收峰产生,证明了亚甲基蓝染料被光降解。当光照时间达到120 min时,亚甲基蓝染料分子的光降解率达到90%,这也充分证明了CuO纳米花可以高效地光催化降解亚甲基蓝染料分子。从CuO纳米花光催化降解亚甲基蓝染料分子的反应动力学曲线可以看出,整个降解反应属于近一级动力学反应,反应速率常数达到0.05321 min-1

为了实现设计材料的最初目标,本文作者利用琼脂扩散法测试了CuO纳米花对荧光杆菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌测试。结果表明,在100 μg/mL的浓度下CuO纳米花对大肠杆菌可以起到很强的抑制作用(抑菌圈27±2 mm),然而在25 μg/mL的浓度下CuO纳米花对本文所研究的三种细菌有机体有较弱的抑制作用。以上结果证明了本文合成的CuO纳米花具有很好的抑菌性能。

图3 (a)亚甲基蓝染料的紫外-可见吸收光谱图;经不同时间可见光光催化后的亚甲基蓝染料(b)可见吸收光谱变化,(c)降解百分数;(d)亚甲基蓝染料降解的ln(C0/C)-时间的一级动力学曲线。
图4 不同浓度的CuO纳米花对荧光杆菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能对比图。

作者简介

Hafsa Siddiqui

本文通讯作者

Sha-Shib College of Science and Management

物理系

主要研究领域

纳米生物材料,光催化,太阳能电池,纳米材料的光学及电学性能研究和无机纳米材料的制备。

主要研究成果

多篇论文发表在国际知名纳米和功能材料学术期刊上包括Nano-Micro Letters, Materials Letters等。共发表SCI论文21余篇,累计引用158,H指数9。

Email: hafsa.phy02@gmail.com

撰稿:《纳微快报》编辑部

编辑:《纳微快报》编辑部

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