Bi-过渡金属离子（Zn、Ni）对FeMnO?纳米结构的结构、光学性能、甲基蓝染料的光降解行为以及抗菌活性的协同掺杂效应

《Materials Science and Engineering: B》：Bi-transition metal ions (Zn Ni) co-doping on the structural, optical, photodegradation using methylene blue dye, and antibacterial activity of FeMnO 3 nanostructures

Zn-Ni共掺杂FeMnO3纳米材料通过燃烧合成法制备，研究其结构、光学带隙及光催化性能，发现掺杂可降低带隙并提升可见光下MB降解效率达81.8%，同时证实其对E.coli和S.aureus的抗菌活性优于未掺杂材料。

　　

C. Vinoth | J. Gajendiran | G. Thennarasu | C. Esther Jeyanthi

印度金奈600 062，Avadi，Vel Tech Rangarajan Dr. Sagunthala R&D Institute of Science and Technology物理系。

摘要

通过燃烧合成方法成功制备了不同浓度的Zn(Ni)（作为混合掺杂剂，浓度分别为0.01、0.03和0.05摩尔）掺杂的FeMnO₃，以及未掺杂的FeMnO₃。当Zn(Ni)掺入FeMnO₃后，XRD峰发生了显著变化，未掺杂FeMnO₃的原始立方晶体结构也发生了畸变。通过FT-IR、拉曼光谱、EDX和XPS验证了共掺杂FeMnO₃中Fe-O、Mn-O、Zn-O和Ni-O之间的分子相互作用键、化学组成、结合能及其化学氧化态。Zn/Ni掺杂浓度对FeMnO₃的光学带隙值产生了影响。通过SEM观察了未掺杂和共掺杂FeMnO₃颗粒的分布。在0.01摩尔Zn(Ni)掺杂的FeMnO₃样品的HR-TEM分析中观察到了团聚的球形颗粒和多晶行为。使用甲苯蓝染料在可见光下对合成样品进行了光催化实验，0.01摩尔Zn(Ni)掺杂的FeMnO₃材料表现出81.8%的最大脱色效果。与未掺杂的FeMnO₃相比，Zn(Ni)掺杂的FeMnO₃对金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E. coli)的抑制效果更明显。

引言

近年来，由于金属氧化物的独特物理化学和光学性质，它们在光催化剂领域受到了广泛关注，这些性质使得它们在去除废水中的污染物方面表现出优异的性能[1]、[2]。在这些金属氧化物中，铁锰酸盐(FeMnO₃作为一种有前景的光催化剂材料而脱颖而出[3]、[4]、[5]、[6]，其原因在于其窄的带隙、良好的化学稳定性、环保性以及较低的生产成本等。

光催化是一种高效且环保的方法，可以去除废水中的有害有机污染物，且不会产生任何有毒物质[3]、[4]、[5]、[6]。虽然已有过滤、吸附和反渗透等多种废水净化技术，但光催化能够彻底去除水中的污染物，并且与上述方法相比，光催化的回收过程更为简单。甲苯蓝(MB)是一种常用的有机染料，因其鲜艳的颜色、化学稳定性和在纺织废水中的普遍存在而常被用作模型污染物。由于FeMnO₃光催化剂具有独特的氧化还原特性和环保性，在这一领域展现了巨大潜力。研究表明，FeMnO₃材料在可见光区域具有光吸收能力，这些特性使其非常适合用于高效的光降解反应。

迄今为止，Naushad Ahmad及其团队仅研究了通过湿化学方法掺杂金属离子的FeMnO₃的光降解活性[7]。他们发现，掺杂Ag的FeMnO₃的光学带隙比纯FeMnO₃更窄，这表明掺杂后的FeMnO₃具有更强的光催化性能。从现有文献中我们可以了解掺杂对FeMnO₃纳米材料结构、光学和光催化性能的影响。在本研究中，我们通过燃烧合成方法引入不同浓度的Zn(Ni)作为共掺杂剂，以降低FeMnO₃的光学带隙，从而提高其在可见光照射下的光催化性能。引入共掺杂剂的目的在于改变晶格中的能级，从而缩小光学带隙并增强光诱导能力。

一些研究人员[3]、[4]、[5]、[6]报道了湿化学合成的纯FeMnO₃及金属离子掺杂FeMnO₃的光催化活性。在本研究中，我们采用溶胶-凝胶自燃合成法制备了未掺杂的FeMnO₃以及不同重量百分比（0.01、0.03和0.05摩尔）Zn(Ni)掺杂的FeMnO_{3》。溶胶-凝胶自燃法在金属氧化物纳米结构的制备中受到了广泛关注，因为该方法具有高产率、优异的结晶性和较低的材料合成成本。}

Dilawar Ali等人[4]报道了共沉淀合成的FeMnO₃纳米颗粒对四种不同细菌菌株（Bacillus meurellus、Acetobacter rhizospherensis、E. coli）的抗菌活性。他们发现不同菌株的抑制效果各不相同。在我们之前的研究中[8]，测试了纯FeMnO₃材料对四种不同细菌菌株（两种革兰氏阳性菌株S. mutans、S. aureus和两种革兰氏阴性菌株E. coli和P. aeruginosa）的抗菌活性。研究表明，抑制效果因菌株而异。目前尚无关于将锌镍作为共掺杂剂引入FeMnO₃以研究其对E. coli和S. aureus抗菌活性的研究。

在本研究中，我们报道了未掺杂FeMnO₃以及不同重量百分比（0.01、0.03和0.05摩尔）Zn(Ni)掺杂FeMnO₃的溶胶-凝胶自燃合成方法。对制备材料的结构特征、光学行为、光催化性能和抗菌活性进行了测试，并详细研究了Zn(Ni)掺杂浓度对结晶性、颗粒形态、能隙、催化效率和抑制效果的影响。

材料与方法

作为铁锰氧化物前体的硝酸铁九水合物(Fe(NO₃)₃.9H₂O（分子量404 g/mol，纯度98%，SRL）和硝酸锰四水合物（纯度98%，Merck），以及硝酸锌(Zn(NO₃)₂.6H₂O（分子量297.48 g/mol，纯度96%，Loba Chemi）和硝酸镍(Ni(NO₃)₂.6H₂O（分子量290.79 g/mol，纯度99%，SRL）被用作共掺杂剂，通过燃烧合成制备未掺杂和Zn/Ni共掺杂的FeMnO₃纳米粉末。

未掺杂和Zn(Ni)掺杂FeMnO₃

通过粉末XRD测量分析了未掺杂FeMnO₃及其在不同浓度Zn(Ni)（0.01、0.03和0.05摩尔）掺杂后的晶体相变和结构畸变。未掺杂和掺杂FeMnO₃的XRD图谱中显示了清晰的X射线衍射峰及其对应的Miller平面。

结论

选择溶胶-凝胶自燃法制备未掺杂和不同Zn(Ni)摩尔比（0.01、0.03和0.05摩尔）掺杂的FeMnO₃纳米结构。通过粉末XRD、FT-IR、EDS、拉曼光谱、XPS和紫外-可见光分析等光谱表征方法，实验验证了Zn(Ni)掺杂对FeMnO₃的结构参数（如晶体结构、化学元素间键合以及光学带隙）的影响。

CRediT作者贡献声明

C. Vinoth：撰写原始稿件、方法论设计、实验研究。

J. Gajendiran：审稿与编辑、撰写原始稿件、监督工作、概念构思。 G. Thennarasu：资源协调。 C. Esther Jeyanthi：资源支持。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益或个人关系可能构成利益冲突：J. Gajendiran表示得到了Vel Tech Rangarajan Dr Sagunthala R&D Institute of Science and Technology的财务支持。作者声明没有其他已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。如果存在其他作者，他们也声明没有此类影响。