Магний-легированные оксид цинка наночастицы: оптимизация фотокаталитического деградации и антибактериальной эффективности

Аннотация

Используя простой ко-выпадение подход, мы синтезировали первобытные и Mg-легированные ZnO наночастицы (НЧ) с 0–7,5 моль.% Mg. Рентгеновская дифракция подтвердила единую гексагональную витцеритовую фазу, в то время как РЭМ раскрыла наномасштабные зерна (30–110 нм) с гексагональной морфологией. Включение Mg снизило запрещенную зону от 3,36 до 3,04 эВ и произвело красно-смещенный край поглощения. Фотолюминесценция показала усиленную видимую эмиссию между 430 и 600 нм, указывающую на увеличенную дефектную плотность. В фотокаталитических тестах 7,5 % Mg-ZnO достиг 78 % деградации Родамина B под УФ-Vis облучением. Антибактериальные анализы против грам-позитивных (S. aureus) и грам-отрицательных (E. coli, Proteus) штаммов продемонстрировали, что Mg легирование прогрессивно усиливало диаметры зон ингибирования, подтверждая превосходную антимикробную производительность.

Введение

Наночастицы демонстрируют размерно-зависимые свойства, позволяющие взаимодействия с биологическими системами и экологическими загрязнителями. Оксид цинка (ZnO) является стоимоэффективным, химически стабильным полупроводником, широко используемым в солнцезащитных кремах, фотокатализе и антибактериальных применениях. Легирование ZnO двухвалентными металлами таким как Mg может адаптировать его оптическую запрещенную зону, дефектную химию и поверхностную реактивность, тем самым улучшая фотокаталитические и антимикробные активности. Mg, будучи меньше Zn, замещает Zn²⁺ в решетке, индуцируя деформацию и создавая кислородные вакансии, служащие активными сайтами для разделения заряженных носителей и генерации реактивных форм кислорода (РФК).

Методы

Аналитические реактивы (Sigma-Aldrich) использовались без дальнейшей очистки. ZnCl₂ и MgCl₂ смешивали в молярных соотношениях 0,975:0,025, 0,950:0,050 и 0,925:0,075 для получения 2,5 %, 5 % и 7,5 % Mg-легированных ZnO соответственно. 1 M NaOH раствор добавляли капельно к металл-хлоридной смеси под активным перемешиванием; полученный осадок выдерживали 6 ч, фильтровали, вымывали деионизированной водой и ацетоном, сушили при 100 °C, размалывали и отжигали при 300 °C в течение 4 ч. Ко-выпадение маршрут дает высокочистые наномасштабные частицы при обычных условиях.

Результаты и обсуждение

Структурный анализ

Рентгеновские паттерны (Рис. 2) демонстрировали характерные пики при 31,8°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,7°, 62,9° и 68°, подтверждая гексагональную витцеритовую структуру (JCPDS 36-1451). Вторичные фазы не обнаруживались. Интенсивности пиков уменьшались с увеличением Mg, указывая на легкую потерю кристалличности из-за решеточной дисторсии. (101) пик сдвигался к меньшим углам, согласуясь с Mg²⁺ (ионный радиус = 0,57 Å) замещением Zn²⁺ (0,60 Å). Кристаллиты размеры, рассчитанные через уравнение Шеррера, увеличились от ~35 нм (чистый) до ~70 нм (7,5 % Mg). Таблица 1 резюмирует решеточные параметры, атомные упаковочные коэффициенты и значения деформации.

Морфология и состав

Полевой-эмиссионный РЭМ изображения (Рис. 3) показывают хорошо определенные гексагональные зерна 30–110 нм, с более высоким Mg содержанием дающим лучшую дисперсию. ЭДС спектры (Рис. 4) подтверждают присутствие Zn, Mg и O, с Mg интенсивностью коррелирующей с уровнем легирования и без посторонних элементов.

Оптические свойства

УФ-Vis поглощение (Рис. 5а) раскрывает увеличенное поглощение и красно-смещенный край поглощения по мере роста Mg содержания. Тауковские графики (Рис. 5б) дают запрещенные зоны, снижающиеся от 3,36 эВ (чистый) до 3,04 эВ (7,5 % Mg), отражая усиленное квантовое замыкание и дефектно-индуцированные состояния.

Фотолюминесценция

PL спектры (Рис. 6) показывают сильный УФ пик (~400 нм) и широкую видимую полосу (450–620 нм). Видимая эмиссия интенсивируется с Mg легированием, указывая на больше поверхностных анионных вакансий и улучшенное разделение электрон-дырка.

Фотокаталитическая производительность

Под 125 Вт (311 нм) УФ облучением, 7,5 % Mg-ZnO достиг 78 % деградации Родамина B после 120 мин, превосходя чистый ZnO (~20 %). Кинетический анализ (Рис. 9) показывает скоростные константы первого порядка, растущие от 1,09 × 10⁻³ до 1,26 × 10⁻² мин⁻¹ с Mg содержанием, подтверждая улучшенную динамику заряженных носителей. Улучшение атрибутируется увеличенной площади поверхности, кислородным вакансиям и эффективным электронным ловушкам, предоставляемым Mg включением.

Антибактериальная активность

Диск-диффузионные анализы (Рис. 10) раскрывают, что Mg-ZnO НЧ ингибируют и грам-позитивные, и грам-отрицательные бактерии. Зоны ингибирования расширяются с более высокими Mg процентами, достигая 18 мм против E. coli и 20 мм против S. aureus для 7,5 % Mg-ZnO. Усиленная РОК генерация и сниженная запрещенная зона облегчают более сильное антимикробное действие.

Заключение

Mg легирование через ко-выпадение производит фазово-чистые ZnO НЧ с настраиваемой морфологией, сниженной запрещенной зоной и увеличенной дефектной плотностью. 7,5 % Mg-ZnO доставляет превосходную фотокаталитическую деградацию органических красителей и мощную антибактериальную активность, делая его перспективным кандидатом для экологической ремедиации и антимикробных применений.