ZnO/Fe₃O₄-MoS₂纳米花的简易合成方法：兼具优异的声催化性能和抗菌效果

本研究采用水热与超声协同法制备ZnO/Fe₃O₄-MoS₂异质结构纳米复合材料，通过XRD、SEM等表征其高纯度与纳米花形结构，显著提升比表面积。实验表明该材料在超声催化下对MB、SN、RhB染料的去除率分别为83%、77%、46%，同时表现出94.41%和86.53%的抗菌活性，证实其高效环保的污染治理潜力。

拉马赞·巴亚特（Ramazan Bayat）|阿尔珀·厄曾古尔（Alper Özengül）|达姆拉·伊克巴利（Damla Ikballi）|穆罕默德·贝克梅兹奇（Muhammed Bekmezci）|库姆胡尔·埃伦·伊西克（Cumhur Eren Isik）|法提赫·森（Fatih Sen）

森研究小组（Sen Research Group），库塔希亚杜姆卢皮纳尔大学（Kutahya Dumlupinar University）生物化学系，土耳其库塔希亚（Kutahya）

摘要

在本研究中，采用水热法和超声处理技术合成了ZnO/Fe₃O₄-MoS₂异质结构复合材料作为超声催化剂。通过XRD、SEM、UV-VIS和FTIR对合成的ZnO/Fe₃O₄-MoS₂结构进行了表征。结果表明，该材料纯度较高，具有明确的晶体相结构，由众多纳米片状结构组成，这些纳米片呈纳米花状排列，从而显著增加了表面积。在ZnO/Fe₃O₄-MoS₂存在下，MB、SN和RhB染料的去除率分别达到了83%、77%和46%。ZnO/Fe₃O₄-MoS₂对大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）的抗菌效果分别为94.41%和86.53%。研究结果表明，ZnO/Fe₃O₄-MoS₂可用于不同类型染料的超声催化去除及抗菌研究。

引言

纺织、染料、化肥和制药等行业因排放重金属、有机化合物和各种化学物质而引发环境污染问题[1]。纺织业在染色过程中产生的废水占全球废水总量的约20%，是水污染的主要来源之一[2]。工业中使用的有机染料由于其自然分解速度较慢，成为重要的污染源[1]。亚甲蓝（Methylene blue）、罗丹明B（Rhodamine B）和藏红花素（Safranin）等染料难以降解，无法通过传统方法去除，对环境和人类健康构成严重威胁[3],[4]。水体中污染物浓度的增加亟需开发高效的催化系统来有效分离这些污染物[5],[6]。然而，现有方法均存在局限性，因此需要发展先进的氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs）来去除顽固的有机污染物[7]。AOPs通过产生活性氧物种（如OH⁻、O₂⁻和H₂O₂）在去除有机化合物（如染料）方面发挥重要作用[1],[8]。AOPs的生产技术包括化学法、光化学法、电化学法和声化学法[10]。在各种净化方法中，利用超声波的声催化降解技术因环保、简单且应用范围广而备受关注[11]。该技术利用空化效应（小气泡积累能量后破裂），促进活性自由基的形成[12]。空化效应可产生高达4000 K和1000 atm的区域高温高压环境，使水分子分解为具有高氧化潜力的羟基（-OH）和氢基（-H）自由基[11],[13]。目前，研究人员正在开发结合超声波与异质催化剂的声催化分解方法[14]。ZnO作为一种半导体，在染料去除研究中具有广泛应用[15]；它不仅具有光催化潜力，还表现出良好的声催化效果。ZnO的带隙与TiO₂相近，化学稳定性高且成本低，是一种理想的替代半导体[13]。Fe₃O₄作为半导体，在电子传输中起着重要作用；磁性材料在处理环境废弃物时也能实现高性能[16]。Fe₃O₄结构在催化剂中的存在通过形成更多结合位点和更稳定的结构，提升了声催化分解效率[17]。近年来，二硫化钼（MoS₂）因其类似三明治的结构、无毒性、化学稳定性及可调性而受到广泛研究[18]。本研究探讨了ZnO/Fe₃O₄-MoS₂异质纳米复合材料在超声催化去除亚甲蓝、罗丹明B和藏红花素染料及抗菌活性方面的应用效果。

材料

购买了四水合钼铵（Sigma Aldrich 81-83%）、硫脲（Sigma Aldrich 99%）、ZnO（Sigma Aldrich 99%）、MB（Sigma 97%）和SN（Isolab >85%），未经纯化直接使用。

ZnO/Fe₃O₄-MoS₂的合成

首先将200 mg的Fe₃O₄置于30 mL水中进行超声处理。随后加入1 g七钼酸铵和2 g硫脲，于25°C下继续超声处理30分钟。处理后的混合物被加入特氟龙涂层容器中。

结果与讨论

利用XRD（Cu Kα X射线源，Rigaku Miniflex）测定了ZnO/Fe₃O₄-MoS₂的晶体结构。图1显示，ZnO在六方晶系中的特征衍射峰分别为2θ 31.89°、34.52°、36.39°、47.6°、56.69°、62.92°、66.47°、67.99°、69.18°、72.65°、77.14°和81.51°，对应于（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（200）、（112）、（201）、（004）和（104）晶面（ICDD 98-022-9272）[21]。此外，在2θ 32.75°处还观察到弱衍射峰。

结论

本研究全面评估了合成的ZnO/Fe₃O₄-MoS₂纳米花结构在去除MB、SN和RhB染料方面的声催化效果及其对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抗菌活性。通过XRD、SEM和EDX分析了该复合材料的晶体结构、形态和元素组成。XRD结果证实，清晰的衍射峰表明ZnO/Fe₃O₄-MoS₂已成功形成。

CRediT作者贡献声明

穆罕默德·贝克梅兹奇（Muhammed Bekmezci）：负责撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据整理及概念构建。达姆拉·伊克巴利（Damla Ikballi）：负责撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据整理及概念构建。阿尔珀·厄曾古尔（Alper Özengül）：负责撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据整理及概念构建。库姆胡尔·埃伦·伊西克（Cumhur Eren Isik）：负责撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验设计、数据整理及概念构建。拉马赞·巴亚特（Ramazan Bayat）：

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。