双功能纳米催化剂：优化镍氧化物中Mn:Zn共掺杂的协同效应，以实现快速光催化染料中和并增强细菌抑制作用

开发多功能材料以应对细菌污染和水体污染对环境保护和公共健康至关重要。本研究通过溶胶-凝胶法成功合成25 wt.% Mn:Zn共掺杂NiO纳米粉末，其晶粒尺寸从纯NiO的30±2 nm优化至20±1 nm，光催化降解橙II染料效率达96.92%，抑菌圈直径分别达12±0.54 mm（Bacillus）和12±0.16 mm（E. coli）。XRD、TEM和FT-IR表征证实掺杂优化了能带结构和表面活性位点。

　　

迪克拉·布拉斯（Dikra Bouras）| 福齐娅·哈马迪（Fouzia Hamadi）| 马蒙·费拉（Mamoun Fellah）| 米尔·瓦卡斯·阿拉姆（Mir Waqas Alam）| 阿赫勒姆·格斯米（Ahlem Guesmi）| 洛特菲·凯扎米（Lotfi Khezami）

摘要

开发用于对抗细菌污染和水污染的多功能材料对于环境保护和公共卫生至关重要。本研究通过溶胶-凝胶法成功合成了掺锰（Mn）和锌（Zn）的氧化镍（NiO）纳米粉末，这些纳米粉末表现出优异的抗菌活性和光催化性能。X射线衍射（XRD）分析表明，随着掺杂量的增加（25 wt.%），晶体尺寸从30 ± 2 nm（纯NiO）减小到20 ± 1 nm。透射电子显微镜（TEM）观察到了晶格畸变和掺杂剂聚集现象。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实了掺杂剂的引入以及振动变化。紫外-可见光吸收光谱和Tauc图分析显示，在25 wt.%的掺杂浓度下，材料的带隙最小化为1.75 eV，能够在可见光下20分钟内使Orange II染料降解96.92%。抗菌测试表明，25 wt.%的Mn:Zn/NiO复合材料对Bacillus的抑制圈最大为12 ± 0.54 mm，对E. coli的抑制圈最大为12 ± 0.16 mm。这些材料的光催化和抗菌性能突显了其在环境修复和微生物控制应用中的潜力。这些有希望的结果表明，Mn:Zn/NiO复合材料可能是开发用于解决污染和感染问题的先进材料的理想候选者。未来的研究将重点优化合成过程，并探索这些材料在实际应用中的长期稳定性。

引言

细菌污染和有机染料污染对人类健康和环境可持续性构成了重大挑战（Lellis等人，2019年）。这些问题不仅会降低水质，还会破坏水生生态系统，导致生物多样性下降。应对这些挑战需要创新解决方案，包括先进的过滤系统和可持续的废物管理实践。病原菌如E. coli、Pseudomonas、Bacillus和Staphylococcus与胃肠道感染（Dutta等人，2024年）、皮肤疾病和系统性疾病有关。它们对传统抗生素的耐药性加剧了这一问题，凸显了开发创新抗菌解决方案的必要性（Xuan等人，2023年；Sharma等人，2023年）。同时，含有有机染料（如Orange II）的工业废水对水生生态系统和公共卫生构成严重威胁（Periyasamy，2024年）。这些染料不可生物降解、有毒且具有致癌性（Bouras等人，2025b年），会污染水体并干扰水生生物的生理过程（Liu等人，2024年）。

微生物污染和染料污染的双重挑战需要能够有效解决这两种问题的多功能材料（Liu等人，2024年）。本研究探讨了通过溶胶-凝胶法合成的掺锰和锌的氧化镍（Mn:Zn）纳米粉末（Thakur等人，2024a）。这些材料有望通过光催化作用分解有机染料并杀死细菌，从而帮助清洁环境并保护人类健康（Wang等人，2024a）。研究评估了合成纳米粉末的物理化学性质，强调了它们在降解有害污染物的同时抑制微生物生长的有效性。此外，这些多功能材料在各种环境中的应用前景为污染管理和可持续实践的创新策略奠定了基础。氧化镍（NiO）是一种多功能材料，以其出色的化学稳定性（Patil等人，2018年）、催化活性和半导体特性（Al Boukhari等人，2020年）而闻名。

由于这些特性，它可以用于对抗细菌污染并减少有机染料污染的有害影响，这两种问题都严重影响人类健康和环境（Goel等人，2020年）。然而，虽然块状NiO的带隙通常在3.6–4.0 eV范围内（Kate等人，2018年），但众所周知，由于量子限制效应和表面缺陷，NiO纳米颗粒的带隙显著减小。尽管如此，未掺杂的NiO纳米颗粒的减小带隙仍可能限制其在光催化和抗菌应用中的实际应用（Ahaliabadeh等人，2022年）。为了克服这些限制并进一步优化带结构以最佳吸收可见光，人们广泛研究了掺杂策略（Hussain等人，2023年）。掺杂涉及将杂质元素引入NiO的晶格中以改变其物理和化学性质（Ye等人，2024年）。其中，特别是锰（Mn）和锌（Zn）的共掺杂显示出巨大潜力（Qin等人，2023年）。最近的相关材料研究进一步强调了这种掺杂策略的有效性。例如，将铁（Fe）引入多孔碳氮化物基质中可以创建高效的分子氧活化位点，从而提高光电催化性能（Ye等人，2024年）。这表明，通过仔细选择掺杂剂和基底材料，可以针对特定催化途径定制反应位点。

共掺杂不仅减少了带隙，提高了可见光的吸收能力，还改善了载流子的分离，增强了表面反应性，并提高了材料的整体效率（Qin等人，2023年；Tasnim等人，2023年）。在NiO中掺入锰和锌有助于在带结构中生成额外的能量状态（Wang等人，2024a），使带隙能量降低到适合可见光光催化的水平（Halim等人，2024年）。这种改进显著增强了有机污染物（如工业染料）的降解效果（Ahuja等人，2023年）。同时，共掺杂带来的改进表面特性和反应位点增强了材料的抗菌性能（Thakur等人，2024b），有效抑制了E. coli、Bacillus等有害细菌的生长（Aejitha等人，2023年）。Mn:Zn共掺杂NiO的双重功能使其成为解决水污染和微生物威胁的可持续高效解决方案（Mannaa等人，2021年）。

继续探索这些掺杂技术不仅推动了材料科学的发展，还为环境和公共卫生应用带来了实际益处（Hasan等人，2024年）。掺入锌和锰氧化物作为掺杂剂显著改善了氧化镍（NiO）的性能（Yousaf等人，2020年；Goel等人，2020年；Kate等人，2018年），提高了可见光吸收能力、载流子分离效果和催化活性（Al Boukhari等人，2020年；Kate等人，2018年）。这些改进对于光催化和抗菌治疗应用至关重要（Ilbeigi等人，2019年）。锌和锰的共掺杂改变了NiO的带结构，减小了带隙并创造了更多活性反应位点，从而提高了其整体效率（Kuznetsova等人，2025年）。在合成掺杂NiO的各种方法中，溶胶-凝胶技术尤为有效（Thakur等人，2024a）。该方法能够精确控制纳米粉末的形态和组成，确保高纯度和均匀性（Thakur等人，2024b）。溶胶-凝胶过程包括水解和缩合反应（?hman等人，2022年），这些反应能够形成具有定制性质的细小均匀颗粒（Alayed等人，2022年）。

这种方法确保掺杂剂在晶格中均匀分布，优化了它们对材料性能的影响（?hman等人，2022年；Alayed等人，2022年）。通过结合先进的掺杂策略和溶胶-凝胶技术的优势，研究人员可以开发出具有优异功能特性的材料（Al-Mamun等人，2023年），这些材料适用于解决环境和抗菌挑战（Mohammed等人，2023年）。本研究成功合成了掺锰和锌的NiO纳米粉末，通过优化掺杂浓度显著提高了光催化效率和抗菌活性。锰和锌的加入增强了材料的可见光吸收能力、载流子迁移率以及活性位点的可用性，使其在抗菌和环境应用中表现出优越性能。与以往专注于单掺杂系统或其他复合材料的研究不同，本研究系统地研究了Mn:Zn共掺杂比例如何协同调节NiO纳米颗粒的结构、光催化和抗菌性能。我们的研究独特地确定了实现高效环境修复和微生物控制的双功能优化的最佳掺杂浓度。

部分内容摘录

材料

用于制备粉末并评估其抗菌活性的材料包括六水合氯化镍（NiCl₂·6H₂O，98%）、无水乙醇（C₂H₅OH，99.8%）、二水合醋酸锌（(CH₃COO)₂Zn·2H₂O，≥99%）、二水合醋酸锰（Mn(CH₃COO)₂·2H₂O，≥99%）、单乙醇胺（MEA，C₂H₇NO，99%）以及分析级Orange II染料（C₁₆H₁₁N₂NaO₄S）。抗菌测试使用了二甲基亚砜（DMSO，(CH₃)₂SO，99.9%）、营养琼脂和营养肉汤。

X射线衍射分析

图2a和b中显示的X射线衍射（XRD）图案提供了关于不同掺杂浓度（0–50 wt%）下NiO粉末晶体结构和相组成变化的见解。原始NiO显示出特征性的衍射峰，对应于（200）、（111）和（220）晶面，表明其为立方多晶结构（Paul等人，2023年）。掺杂后，出现了新的峰，这些峰归因于六方结构的ZnO晶面。

结论

本研究成功展示了掺锰和锌的NiO纳米粉末的增强功能，在特定的掺杂浓度（0、15、25和50 wt%）下获得了最佳性能。25 wt%的Mn:Zn掺杂浓度表现出最佳的光催化性能，带隙减小到1.75 eV，并在可见光下20分钟内使Orange II染料降解96.92%。在此掺杂水平下，晶体尺寸优化为20 ± 1 nm，进一步提高了...

未引用的参考文献

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作者贡献声明

迪克拉·布拉斯（Dikra Bouras）：研究、资金获取、数据分析、概念化。福齐娅·哈马迪（Fouzia Hamadi）：撰写初稿、软件使用、资源协调。马蒙·费拉（Mamoun Fellah）：撰写和编辑、原始稿件撰写、可视化、验证、监督、软件使用、项目管理、数据分析。米尔·瓦卡斯·阿拉姆（Mir Waqas Alam）：资金获取、数据分析。阿赫勒姆·格斯米（Ahlem Guesmi）：可视化、软件使用、方法论研究、资金获取。洛特菲·凯扎米（Lotfi Khezami）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究系的支持和资助（资助编号：IMSIU-DDRSP2601）。