从合成到光催化活性：化学合成与绿色合成CeO?纳米粒子的对比评估

《Current Applied Physics》：From synthesis to photocatalytic activity: A comparative assessment of chemically and green synthesized CeO 2 nanoparticles

纳米氧化铈的化学与绿色合成及其光催化性能比较，采用NaOH和Achyranthes aspera叶提取物作为还原剂和稳定剂，水热法合成两种纳米颗粒。XRD分析显示绿色合成的CeO?纳米颗粒晶粒尺寸更小（5.75 nm），光催化降解甲基橙效率达78.41%，显著优于化学合成的11.53%。

　　

Pervinder Kaur | Anu Kapoor | Anand Kumar | Suresh Kumar

物理系，MMEC，Maharishi Markandeshwar（被认定为大学），Mullana，Ambala，Haryana，133207，印度

摘要

通过化学方法和绿色合成路线，在水热技术的辅助下，使用NaOH和Achyranthes aspera（A. aspera）叶提取物作为还原剂和稳定剂，合成了氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）。通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、场发射扫描电子显微镜和紫外-可见光谱对纳米颗粒的结构、形态和光学性质进行了表征。利用Debye-Scherrer公式估算的晶粒尺寸分别为化学合成和绿色合成的CeO₂ NPs的12.83 nm和5.75 nm。通过天然阳光下的MB染料光催化降解实验研究了CeO₂ NPs的光催化活性。经过60分钟的阳光照射后，化学合成的CeO₂纳米颗粒的降解效率仅为11.53%；而绿色合成的CeO₂纳米颗粒的降解效率显著提高，达到了78.41%。总体而言，本研究展示了植物介导的合成方法相对于传统化学方法的优势，并表明CeO₂ NPs在可持续应用中具有巨大潜力，尤其是在水处理领域。

引言

铈是一种镧系金属，存在于+3和+4氧化态中，其中铈(III)态更为稳定。科学界对纳米尺度上的氧化铈（即ceria）给予了密切关注。通常使用不同的传统物理和化学技术来制备纳米铈[1]。Yadav等人于2023年报道了通过水热技术使用氢氧化铈和盐酸在800°C下合成CeO₂ NPs，并在直射阳光下实现了74.04%的亚甲蓝（MB）染料降解效率[2]。然而，这些技术存在一些固有的缺点，如仪器成本高、使用有毒化学物质、能耗大以及可能对环境造成危害。相比之下，绿色合成技术是一种新兴的、经济高效、环保且生物安全的方法。植物或微生物（包括细菌、真菌、酵母和藻类）可以用于纳米颗粒（NPs）的绿色合成[3]。此外，植物介导的合成方法具有更多优势，例如植物易于获取且安全操作，同时成本低廉。此外，植物中存在的生物分子（如多酚、氨基酸等）不仅有助于前体金属的还原，还能稳定纳米颗粒[4]。已有许多基于植物的提取物（包括Melastoma sp, Morinda citrifolia, Portulaca oleracea, Orange, Stevia rebaudiana）被用于CeO₂ NPs的绿色合成[[5], [6], [7], [8], [9]]。

在本研究中，我们使用了Achyranthes aspera（A. aspera），它属于Amaranthaceae科，富含生物碱、蛋白质、碳水化合物、单宁和黄酮类化合物。值得注意的是，A. aspera中的萜类化合物已被证明在纳米颗粒合成中可作为有效的还原剂[10]。A. aspera作为一种常见的杂草，可以有效利用来将废弃植物转化为有价值的纳米材料前体。最近，Jadav等人（2025年）使用A. aspra叶提取物合成了Ag@TiO₂纳米颗粒，并在紫外-可见光照射下实现了89.96%的亚甲蓝（MB）染料降解效率。然而，关于使用A. aspera作为CeO₂纳米颗粒生物合成来源的研究很少，据我们所知，目前尚无关于其光催化活性的报道[11]。因此，本研究比较了化学合成和绿色合成的CeO₂ NPs。化学合成过程中使用了氢氧化钠溶液作为沉淀剂，而绿色合成过程中则使用了A. aspera叶的水提取物，硝酸铈作为主要前体。为了保证均匀性，两种合成方法均采用了水热技术，因为该技术简单、处理快速、安全且节能，同时能够生产出高质量、低成本且易于纯化的纳米结构材料[12]。

材料、植物样本的采集与处理

实验中使用的试剂均为分析级。本研究中使用的主要前体硝酸铈六水合物[Ce(NO₃)_3•6H₂O]和氢氧化钠（NaOH）购自Loba Chemie Pvt. Ltd。从当地田间采集了A. aspera的新鲜叶片，用自来水彻底清洗后用去离子水冲洗，然后在阴凉处晾干并研磨成细粉。取10克风干后的叶粉放入烧杯中，用100毫升水在80°C下提取30分钟。

XRD分析

通过XRD分析研究了纳米颗粒的晶体结构和相纯度。在2θ值为28.5°、33.0°、47.5°、56.3°、69.4°、76.7°、79.1°和88.4°处观察到八个特征峰，分别对应于(111)、(200)、(220)、(311)、(400)、(331)和(422)晶面，如图1所示。衍射图谱与标准JCPDS卡片编号34–0394相匹配，证实形成了立方氟石结构（空间群Fm-3m）。

光催化活性与动力学研究

本研究考察了合成的Ch-CeO₂和Gr-CeO₂在MB染料下的光催化行为。图5展示了在不同时间间隔内，暗处和阳光照射下MB染料降解的效果。紫外-可见光谱在654 nm处显示出特征吸收峰，对应于共轭键；在292 nm处显示出另一个吸收峰，归因于MB染料的芳香环[28]。由于染料吸附在CeO₂光催化剂上，导致颜色变化

结论

本研究有效比较了化学合成和绿色合成的CeO₂ NPs的表征特性和光催化活性。XRD分析有助于深入理解化学合成和环境友好方式制备的纳米颗粒的晶体性质。XRD分析结果显示，化学合成和绿色合成的CeO₂ NPs的平均晶粒尺寸分别为5.73 nm和12.83 nm。此外，平均粒径为30.38 nm

CRediT作者贡献声明

Pervinder Kaur：撰写原始草稿、概念构思、方法设计。Anu Kapoor：撰写、审阅与编辑。Anand Kumar：数据管理、软件操作。Suresh Kumar：监督、撰写、审阅与验证。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Maharishi Markandeshwar（被认定为大学）- Mullana的中央研发部门、SAIF - Chandigarh以及GJU - Hisar的CIL实验室提供的各种资源和表征设施。