雙功能納米催化劑：優化鎳氧化物中Mn:Zn共摻雜的協同效應，以實現快速光催化染料中和并增強細菌抑制作用
《Journal of Environmental Sciences》：Dual-action nano-agents: Optimizing Mn:Zn Co-doped synergy in Nickel Oxide for rapid photocatalytic dye neutralization and enhanced bacterial suppression
【字體：
大
中
小
】
時間：2026年02月28日
來源：Journal of Environmental Sciences 6.3
編輯推薦：
開發多功能材料以應對細菌污染和水體污染對環境保護和公共健康至關重要。本研究通過溶膠-凝膠法成功合成25 wt.% Mn:Zn共摻雜NiO納米粉末，其晶粒尺寸從純NiO的30±2 nm優化至20±1 nm，光催化降解橙II染料效率達96.92%，抑菌圈直徑分別達12±0.54 mm（Bacillus）和12±0.16 mm（E. coli）。XRD、TEM和FT-IR表征證實摻雜優化了能帶結構和表面活性位點。
迪克拉·布拉斯（Dikra Bouras）| 福齊婭·哈馬迪（Fouzia Hamadi）| 馬蒙·費拉（Mamoun Fellah）| 米爾·瓦卡斯·阿拉姆（Mir Waqas Alam）| 阿赫勒姆·格斯米（Ahlem Guesmi）| 洛特菲·凱扎米（Lotfi Khezami）
摘要
開發用于對抗細菌污染和水污染的多功能材料對于環境保護和公共衛生至關重要。本研究通過溶膠-凝膠法成功合成了摻錳（Mn）和鋅（Zn）的氧化鎳（NiO）納米粉末，這些納米粉末表現出優異的抗菌活性和光催化性能。X射線衍射（XRD）分析表明，隨著摻雜量的增加（25 wt.%），晶體尺寸從30 ± 2 nm（純NiO）減小到20 ± 1 nm。透射電子顯微鏡（TEM）觀察到了晶格畸變和摻雜劑聚集現象。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）證實了摻雜劑的引入以及振動變化。紫外-可見光吸收光譜和Tauc圖分析顯示，在25 wt.%的摻雜濃度下，材料的帶隙最小化為1.75 eV，能夠在可見光下20分鐘內使Orange II染料降解96.92%。抗菌測試表明，25 wt.%的Mn:Zn/NiO復合材料對Bacillus的抑制圈最大為12 ± 0.54 mm，對E. coli的抑制圈最大為12 ± 0.16 mm。這些材料的光催化和抗菌性能突顯了其在環境修復和微生物控制應用中的潛力。這些有希望的結果表明，Mn:Zn/NiO復合材料可能是開發用于解決污染和感染問題的先進材料的理想候選者。未來的研究將重點優化合成過程，并探索這些材料在實際應用中的長期穩定性。
引言
細菌污染和有機染料污染對人類健康和環境可持續性構成了重大挑戰（Lellis等人，2019年）。這些問題不僅會降低水質，還會破壞水生生態系統，導致生物多樣性下降。應對這些挑戰需要創新解決方案，包括先進的過濾系統和可持續的廢物管理實踐。病原菌如E. coli、Pseudomonas、Bacillus和Staphylococcus與胃腸道感染（Dutta等人，2024年）、皮膚疾病和系統性疾病有關。它們對傳統抗生素的耐藥性加劇了這一問題，凸顯了開發創新抗菌解決方案的必要性（Xuan等人，2023年；Sharma等人，2023年）。同時，含有有機染料（如Orange II）的工業廢水對水生生態系統和公共衛生構成嚴重威脅（Periyasamy，2024年）。這些染料不可生物降解、有毒且具有致癌性（Bouras等人，2025b年），會污染水體并干擾水生生物的生理過程（Liu等人，2024年）。
微生物污染和染料污染的雙重挑戰需要能夠有效解決這兩種問題的多功能材料（Liu等人，2024年）。本研究探討了通過溶膠-凝膠法合成的摻錳和鋅的氧化鎳（Mn:Zn）納米粉末（Thakur等人，2024a）。這些材料有望通過光催化作用分解有機染料并殺死細菌，從而幫助清潔環境并保護人類健康（Wang等人，2024a）。研究評估了合成納米粉末的物理化學性質，強調了它們在降解有害污染物的同時抑制微生物生長的有效性。此外，這些多功能材料在各種環境中的應用前景為污染管理和可持續實踐的創新策略奠定了基礎。氧化鎳（NiO）是一種多功能材料，以其出色的化學穩定性（Patil等人，2018年）、催化活性和半導體特性（Al Boukhari等人，2020年）而聞名。
由于這些特性，它可以用于對抗細菌污染并減少有機染料污染的有害影響，這兩種問題都嚴重影響人類健康和環境（Goel等人，2020年）。然而，雖然塊狀NiO的帶隙通常在3.6–4.0 eV范圍內（Kate等人，2018年），但眾所周知，由于量子限制效應和表面缺陷，NiO納米顆粒的帶隙顯著減小。盡管如此，未摻雜的NiO納米顆粒的減小帶隙仍可能限制其在光催化和抗菌應用中的實際應用（Ahaliabadeh等人，2022年）。為了克服這些限制并進一步優化帶結構以最佳吸收可見光，人們廣泛研究了摻雜策略（Hussain等人，2023年）。摻雜涉及將雜質元素引入NiO的晶格中以改變其物理和化學性質（Ye等人，2024年）。其中，特別是錳（Mn）和鋅（Zn）的共摻雜顯示出巨大潛力（Qin等人，2023年）。最近的相關材料研究進一步強調了這種摻雜策略的有效性。例如，將鐵（Fe）引入多孔碳氮化物基質中可以創建高效的分子氧活化位點，從而提高光電催化性能（Ye等人，2024年）。這表明，通過仔細選擇摻雜劑和基底材料，可以針對特定催化途徑定制反應位點。
共摻雜不僅減少了帶隙，提高了可見光的吸收能力，還改善了載流子的分離，增強了表面反應性，并提高了材料的整體效率（Qin等人，2023年；Tasnim等人，2023年）。在NiO中摻入錳和鋅有助于在帶結構中生成額外的能量狀態（Wang等人，2024a），使帶隙能量降低到適合可見光光催化的水平（Halim等人，2024年）。這種改進顯著增強了有機污染物（如工業染料）的降解效果（Ahuja等人，2023年）。同時，共摻雜帶來的改進表面特性和反應位點增強了材料的抗菌性能（Thakur等人，2024b），有效抑制了E. coli、Bacillus等有害細菌的生長（Aejitha等人，2023年）。Mn:Zn共摻雜NiO的雙重功能使其成為解決水污染和微生物威脅的可持續高效解決方案（Mannaa等人，2021年）。
繼續探索這些摻雜技術不僅推動了材料科學的發展，還為環境和公共衛生應用帶來了實際益處（Hasan等人，2024年）。摻入鋅和錳氧化物作為摻雜劑顯著改善了氧化鎳（NiO）的性能（Yousaf等人，2020年；Goel等人，2020年；Kate等人，2018年），提高了可見光吸收能力、載流子分離效果和催化活性（Al Boukhari等人，2020年；Kate等人，2018年）。這些改進對于光催化和抗菌治療應用至關重要（Ilbeigi等人，2019年）。鋅和錳的共摻雜改變了NiO的帶結構，減小了帶隙并創造了更多活性反應位點，從而提高了其整體效率（Kuznetsova等人，2025年）。在合成摻雜NiO的各種方法中，溶膠-凝膠技術尤為有效（Thakur等人，2024a）。該方法能夠精確控制納米粉末的形態和組成，確保高純度和均勻性（Thakur等人，2024b）。溶膠-凝膠過程包括水解和縮合反應（?hman等人，2022年），這些反應能夠形成具有定制性質的細小均勻顆粒（Alayed等人，2022年）。
這種方法確保摻雜劑在晶格中均勻分布，優化了它們對材料性能的影響（?hman等人，2022年；Alayed等人，2022年）。通過結合先進的摻雜策略和溶膠-凝膠技術的優勢，研究人員可以開發出具有優異功能特性的材料（Al-Mamun等人，2023年），這些材料適用于解決環境和抗菌挑戰（Mohammed等人，2023年）。本研究成功合成了摻錳和鋅的NiO納米粉末，通過優化摻雜濃度顯著提高了光催化效率和抗菌活性。錳和鋅的加入增強了材料的可見光吸收能力、載流子遷移率以及活性位點的可用性，使其在抗菌和環境應用中表現出優越性能。與以往專注于單摻雜系統或其他復合材料的研究不同，本研究系統地研究了Mn:Zn共摻雜比例如何協同調節NiO納米顆粒的結構、光催化和抗菌性能。我們的研究獨特地確定了實現高效環境修復和微生物控制的雙功能優化的最佳摻雜濃度。
部分內容摘錄
材料
用于制備粉末并評估其抗菌活性的材料包括六水合氯化鎳（NiCl2·6H2O，98%）、無水乙醇（C2H5OH，99.8%）、二水合醋酸鋅（(CH3COO)2Zn·2H2O，≥99%）、二水合醋酸錳（Mn(CH3COO)2·2H2O，≥99%）、單乙醇胺（MEA，C2H7NO，99%）以及分析級Orange II染料（C16H11N2NaO4S）。抗菌測試使用了二甲基亞砜（DMSO，(CH3)2SO，99.9%）、營養瓊脂和營養肉湯。
X射線衍射分析
圖2a和b中顯示的X射線衍射（XRD）圖案提供了關于不同摻雜濃度（0–50 wt%）下NiO粉末晶體結構和相組成變化的見解。原始NiO顯示出特征性的衍射峰，對應于（200）、（111）和（220）晶面，表明其為立方多晶結構（Paul等人，2023年）。摻雜后，出現了新的峰，這些峰歸因于六方結構的ZnO晶面。
結論
本研究成功展示了摻錳和鋅的NiO納米粉末的增強功能，在特定的摻雜濃度（0、15、25和50 wt%）下獲得了最佳性能。25 wt%的Mn:Zn摻雜濃度表現出最佳的光催化性能，帶隙減小到1.75 eV，并在可見光下20分鐘內使Orange II染料降解96.92%。在此摻雜水平下，晶體尺寸優化為20 ± 1 nm，進一步提高了...
未引用的參考文獻
Fawad等人，2025年；Gartner等人，2024年；Huang等人，2020年；John和Kumar，2022年；Lekoui等人，2023年；Nguyen等人，2024年；Panda等人，2026年；Aigbe和Osibote，2024年
CRediT作者貢獻聲明
迪克拉·布拉斯（Dikra Bouras）：研究、資金獲取、數據分析、概念化。福齊婭·哈馬迪（Fouzia Hamadi）：撰寫初稿、軟件使用、資源協調。馬蒙·費拉（Mamoun Fellah）：撰寫和編輯、原始稿件撰寫、可視化、驗證、監督、軟件使用、項目管理、數據分析。米爾·瓦卡斯·阿拉姆（Mir Waqas Alam）：資金獲取、數據分析。阿赫勒姆·格斯米（Ahlem Guesmi）：可視化、軟件使用、方法論研究、資金獲取。洛特菲·凱扎米（Lotfi Khezami）：利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了伊瑪目穆罕默德·伊本·沙特伊斯蘭大學（IMSIU）科學研究系的支持和資助（資助編號：IMSIU-DDRSP2601）。
生物通微信公眾號
生物通新浪微博
今日動態 |
人才市場 |
新技術專欄 |
中國科學人 |
云展臺 |
BioHot |
云講堂直播 |
會展中心 |
特價專欄 |
技術快訊 |
免費試用
版權所有 生物通
Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved
聯系信箱：
粵ICP備09063491號
