通过微波辅助燃烧法制备的绿色合成镍掺杂锰氧化物纳米颗粒的多功能应用

镍掺杂锰氧化物纳米颗粒通过酸奶作为燃料的微波辅助燃烧法制备，并对其结构、光学及催化性能进行表征。研究发现纳米颗粒的平均结晶尺寸随镍掺杂量增加而减小，光催化性能显著提升，可用于甲基蓝染料的光降解处理。

　　

B.K. Jeevan Kumar | G. Vishnu | H.S. Bhojya Naik | S. Hareeshanaik

印度卡纳塔克邦Shankaraghatta 577451，Kuvempu大学化学科学学院工业化学研究与学习系

摘要

本研究采用微波辅助燃烧技术，以凝乳作为燃料来合成掺镍的氧化锰纳米颗粒。通过XRD、FTIR、SEM、EDAX、PL和UV-VIS光谱技术对制备的纳米颗粒进行了表征分析。XRD结果显示，随着镍掺量的增加，纳米颗粒的平均晶粒尺寸和晶格参数有所减小。FTIR进一步证实了金属-氧键的振动伸缩模式。SEM分析表明，纳米颗粒呈片状团聚结构。EDAX光谱揭示了其元素组成。UV-VIS光谱分析发现，随着镍掺量的增加，纳米颗粒的带隙宽度减小。此外，在掺镍氧化锰纳米颗粒的光催化作用下，MB染料在可见光照射下发生了光降解。

引言

当今，无论是富裕国家还是发展中国家，政府都高度重视环境问题。许多工业排放和人类日常活动对生态环境造成了严重破坏。由于有机染料及其废水对光、温度、化学物质和微生物具有很强的抵抗力，它们已成为水污染的主要来源之一。这些染料会从传统的污水处理设施中泄漏并残留在水中。光催化是一种低成本且高效的处理方法。近年来，半导体纳米结构在光催化应用领域取得了显著进展[1]、[2]、[3]。

纳米技术在过去十年中为科学家们带来了诸多便利。在科学和技术领域，纳米材料因其微小的尺寸以及能够在原子层面改变或影响物质的能力而具有独特的性质和用途[4]。各国每年在纳米技术和纳米科学研究上投入巨额资金，其中半导体材料成为研究重点[5]、[6]。与块状材料相比，半导体纳米颗粒在化学和物理性质上具有显著差异，因此近年来受到了广泛关注[7]、[8]。

为了减少化石燃料的消耗和污染，人们非常关注高效能源存储技术的发展[9]。锂离子电池和超级电容器等电化学储能设备凭借其快速充放电能力、高功率密度和长循环寿命而备受青睐。金属氧化物（如TiO₂、ZnO和SnO₂）因其在光催化领域的优异性能而受到关注[13]、[14]。早期研究表明，Sr-BiFeO₃、Sr-ZnO和Sr-TiO₂纳米颗粒作为光催化剂在可持续能源生产和环境修复方面具有广泛应用[15]。一些研究指出，氧化锰（MnO）在各种环境条件下适用于废水处理和染料降解[15]。

与NiO、IrO₂和RuO₂等金属氧化物相比，MnO是一种经济实惠、对环境友好的过渡金属氧化物，适用于中性电解质[16]。MnO材料因其优异的导电性、适应性、低毒性、稳定性及可调性能而备受关注[17]。它在催化、生物传感器、吸附剂、碱性电池负极、电极、离子交换、生物医学成像和药物输送等领域具有广泛的应用前景[18]、[19]、[20]。MnO具有较高的比电容，可以通过插层或伪电容器方式储存电荷，其表面发生的法拉第氧化还原反应可实现电荷转移[21]。MnO基电极在中性电解质中的良好性能使其适用于大规模应用。

MnO的四方晶体结构允许物质插层，其MnO₆八面体单元的相互作用形成了多种晶体形态，从而产生独特的形貌（形状、相态、长宽比和性质[22]。Sr²⁺离子掺入MnO晶格后，纳米颗粒的尺寸和表面积发生变化，同时在新表面形成了有利于催化和光催化活性的活性位点。

本研究重点关注掺镍氧化锰纳米颗粒的制备以及凝乳在微波辅助燃烧过程中的应用。凝乳在燃烧过程中起到了有效的还原剂作用。研究了所得NDMO纳米颗粒的形态、结晶度、元素组成和光学特性，并将其用于染料降解和电化学实验。

所用材料

本研究使用了未经进一步纯化的分析级材料：硝酸锰四水合物[Mn(NO₃)₂.4H₂O]（99%）购自Sigma-Aldrich；硝酸镍六水合物[Ni(NO₃)₂.6H₂O]（99%）和亚甲蓝染料购自SD Fine Chem. Ltd.（印度）；凝乳来自印度卡纳塔克邦Shimoga的当地市场；儿茶酚（CC）、氢醌（HQ）和间苯二酚（RS）购自Hi-media，用于分析实验。

XRD分析

图1展示了掺镍氧化锰纳米颗粒Ni_xMn_1-xO（x = 0, 0.025, 0.050, 0.075, 0.100）的XRD图谱，反射面包括（100）、（002）、（101）、（200）、（111）、（102）、（301）、（411）、（110）、（211）、（220）、（212）、（301）、（311）。这些反射面用于确定NDMO纳米颗粒的晶型，结果表明其具有立方结构，与JCPDS卡片编号（01–089-4836）一致。

结论

本研究成功合成了Ni_xMn_1-xO（x = 0, 0.025, 0.050, 0.075, 0.100）纳米颗粒，其中x表示镍的掺量。制备的纳米颗粒平均晶粒尺寸为28.96–18.06纳米，呈立方形态。FTIR分析证实了金属-氧键的存在。SEM图像显示，随着镍掺量的增加，纳米颗粒呈现片状团聚结构。EDAX光谱检测到Ni、Mn和O元素的存在。

CRediT作者贡献声明

B.K. Jeevan Kumar：负责撰写初稿、资料收集、方法设计、资金申请、数据分析及概念构建。 G. Vishnu：负责审稿与编辑、数据可视化、结果验证、项目监督及软件使用。 H.S. Bhojya Naik：负责结果验证、项目监督、数据管理、资金申请及数据整理。 S. Hareeshanaik：负责数据可视化、项目监督、资料收集、方法设计及数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者衷心感谢Kuvempu大学工业化学研究生研究与学习系的主任提供的实验室设施和宝贵建议，同时感谢Dharwad的SAIF-KUD机构对光谱实验的支持。