化学合成与绿色合成Bi2O3/MgAl2O4纳米复合材料的电化学及光催化性能的比较分析

《Inorganic Chemistry Communications》：Comparative analysis on electrochemical and photocatalytic properties of chemical and green synthesized Bi2O3/MgAl2O4 nanocomposites

　　

H.V. 哈里尼 | H.P. 纳加斯瓦鲁帕 | 拉玛昌德拉·奈克 | 雅什万斯·文卡特拉曼·奈克 | N. 巴萨瓦拉朱 | 阿卜杜拉·A·阿尔-卡塔尼 | 加内什·科亚达 | 杰·洪·金

印度达万加雷大学化学研究系，达万加雷 577007

摘要

通过传统的化学方法和绿色合成路线制备了氧化铋/氧化镁（Bi₂O₃/MgAl₂O₄）（BMA）纳米复合材料。综合表征表明，绿色合成的BMA具有更高的结晶度、多孔片状形态以及更好的表面均匀性，而这些特性在化学制备的样品中并未体现。使用循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD）测量方法对BMA纳米颗粒的电化学性能进行了分析，结果显示在10 mVs^?1的扫描速率下其比电容为269 Fg^?1。该电极对抗坏血酸和尿酸的检测也表现出良好的灵敏度。此外，该材料在可见光驱动下的光催化降解效率分别为：AR-88为94.3%，AG-25为88.5%，混合染料系统为80.5%。这些结果共同证明了绿色合成的BMA纳米颗粒在电化学储能、传感和光催化染料降解应用中具有多功能性。

引言

随着对可持续技术在能源存储、环境修复和农业领域需求的增长，人们对无毒且多功能纳米材料的研究也日益增多。由于纳米材料具有较高的表面积与体积比以及可调的物理化学性质，它们通常比块状材料表现出更优异的光学、催化和电化学性能。因此，合成策略在控制其结构特征和功能效率方面起着决定性作用[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]。

近年来，研究重点已从传统的化学合成方法转向环境友好的绿色合成路线。植物介导的合成方法因其低成本、简单性和避免使用有害试剂而特别具有吸引力。植物提取物中天然存在的生物分子（如多酚、黄酮类和多糖）同时充当还原剂和稳定剂，从而在最小化环境影响的同时实现纳米颗粒的可控形成[10], [11]。

在各种生物资源中，芦荟已被证明是合成金属氧化物纳米颗粒的有效绿色原料。其丰富的植物化学成分有助于高效还原金属离子，并限制颗粒聚集，从而提高纳米材料的结晶度和表面均匀性以及生物相容性[12]。

绿色合成的金属氧化物纳米材料在光催化废水处理方面显示出巨大潜力，尤其是对于来自纺织和化工行业的持久性有机染料的降解。这些染料由于具有毒性和抗生物降解性，对生态和健康构成严重威胁。基于半导体的光催化技术通过光照将染料分子转化为无害产物，前提是存在足够的活性位点和高效的电荷传输路径[13], [14]。

与此同时，便携式电子设备和可再生能源系统的快速发展迫切需要具有高电容、快速充放电能力和长期稳定性的先进电极材料。基于铋的氧化物因其良好的导电性和电化学稳定性而受到关注。将镁和铝掺入氧化铋基质中可以进一步增强材料的结构稳定性和表面活性，使其成为储能和传感应用的理想候选材料[15], [16]。

与以往专注于单一污染物降解的芦荟介导的合成研究不同，本研究介绍了一种多功能BMA纳米复合材料，能够同时实现能源存储、生物分子传感和复杂废水处理。本研究的一个创新之处在于系统评估了“协同指数”以理解混合系统中的污染物相互作用，并通过植物毒性评估证明了处理后水的安全性，适合农业再利用。

章节摘录

材料

氧化铋（Bi (NO₃)₃·H₂O）、氧化镁（Mg (NO₃)₂·6H₂O）、氧化铝（Al (NO₃)₃·9H₂O）和尿素均从印度Sigma Aldrich公司购买。芦荟采自达万加雷地区的9XW7?+?QG Bada, Tholhunse。

绿色提取物的制备

选择来自良好栽培植物的新鲜健康芦荟叶片进行凝胶提取。用蒸馏水彻底清洗叶片以去除表面杂质，然后用干净的棉布擦干。使用无菌刀具去除外层绿色表皮

如图1所示，绿色合成和化学合成的BMA纳米复合材料均通过XRD技术进行了表征。两种材料的衍射图谱与JCPDS卡片编号21–1152（氧化镁（MgAl₂O₄）的晶体系统）以及空间群Fm-3?m（编号227）相匹配[21]。此外，还鉴定出Bi₂O₃相，其与JCPDS-52-1007（立方结构）也相匹配[22]。然而，对合成产品的全面表征（尤其是通过XRD研究）

结论

在本研究中，我们对比了通过绿色合成和化学燃烧方法制备的氧化铋镁（BMA）纳米颗粒，发现绿色合成材料具有更强的多功能性。绿色合成方法得到的BMA具有更高的结晶度和独特的片状形态，为其优异的性能提供了结构基础。这体现在其比电容高达269?F/g

H.V. 哈里尼：撰写——初稿，数据整理。H.P. 纳加斯瓦鲁帕：撰写——初稿，监督，形式分析，概念构思。拉玛昌德拉·奈克：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，资源准备，方法学设计。雅什万斯·文卡特拉曼·奈克：撰写——初稿，方法学设计，实验研究。N. 巴萨瓦拉朱：撰写——初稿，数据可视化，资源准备。阿卜杜拉·A·阿尔-卡塔尼：撰写——初稿，监督，软件开发，资金获取。加内什

作者声明他们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。

声明：作者声明ChatGPT（OpenAI）仅用于语言编辑和手稿准备辅助。所有科学内容、分析和结论均为作者的原创工作。

沙特国王大学的持续研究资助计划（ORF-2026-266）提供的财务支持。

H.V. 哈里尼是达万加雷大学化学研究系的研究学者。她毕业于迈索尔大学附属的Sarada Vilas学院，获得硕士学位。她的研究兴趣包括纳米技术、电化学研究、超级电容器和光催化降解。她目前的工作重点是开发用于能源存储和环境修复应用的先进纳米材料。