利用葵花籽提取物进行Fe2O3纳米粒子的绿色合成，以增强罗丹明B的光降解效果

罗希塔什·库马尔（Rohitash Kumar）| 瓦伊莎利·亚达夫（Vaishali Yadav）| 加格尼什（Gagnish）| 里舒（Rishu）| 维马尔·K·巴尔德瓦杰（Vimal K. Bhardwaj）

无机绿色化学实验室，化学系，印度旁遮普邦贾兰达尔国家技术学院，邮编144008

摘要

本研究探讨了通过绿色化学和传统化学方法合成氧化铁（Fe₂O₃）纳米颗粒，并研究了其在日光和紫外光下催化降解染料的应用。绿色合成过程中使用葵花籽提取物作为稳定剂和还原剂，为传统化学合成提供了一种环保的替代方案。合成的Fe₂O₃纳米颗粒通过布鲁纳-埃梅特-泰勒（Brunauer−Emmett−Teller, BET）分析、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外光谱、粉末X射线衍射（P-XRD）和热重分析（TGA）等技术进行了表征。通过光照条件下罗丹明B（RhB）染料水溶液的降解实验评估了Fe₂O₃纳米颗粒的光催化活性，结果显示其具有最佳的降解效果。优化了催化剂用量（20 mg/L）、初始RhB浓度（20 ppm）和接触时间（180 min）等参数对去除效率的影响。在最佳条件下，绿色合成的氧化铁纳米颗粒（G@Fe₂O₃）和传统化学合成的氧化铁纳米颗粒（C@Fe₂O₃）的光降解效率分别达到了95%和83%。还分析了G@Fe₂O₃和C@Fe₂O₃的分解过程动力学，发现其反应遵循伪一级反应，反应速率常数分别为1.78×10^-2 min^-1和1.13×10^-2 min^-1。光降解机制表明，光生空穴和自由羟基自由基是破坏染料结构的主要因素。

引言

废水处理对公共卫生和环境可持续性至关重要，因为它可以在废水排放到自然水体或再利用之前去除其中的污染物[1]、[2]。该过程通常包括多个阶段，每个阶段针对特定的污染物。采用多种方法来减少污染物，包括物理化学方法、电化学氧化、生物过程、吸附过程和高级氧化过程[3]、[4]。其中，光催化降解因其简单性、快速性、清洁性和成本效益而脱颖而出，相比之下，其他方法往往需要较高的运营成本和较长的处理时间来去除有机污染物[5]。光催化利用光子能量引发反应，半导体材料因能够通过氧化还原过程破坏有机污染物而受到广泛关注[6]。这种能力源于当吸收适当波长的光子时，电子从价带激发到导带的过程[7]。

金属氧化物纳米颗粒的绿色合成是一种环保且可持续的纳米颗粒生产方法，它利用自然资源和环境友好的方法[8]、[9]。与传统的化学和物理合成技术不同，后者通常涉及有毒化学物质和高能耗，绿色合成使用植物提取物、微生物和生物聚合物作为还原剂和稳定剂[10]。该方法利用植物提取物中丰富的植物化学物质（如黄酮类、萜类和多酚类），这些物质有助于金属离子的还原和所得纳米颗粒的稳定。这种方法环保，减少了有害物质和副产品的产生，符合绿色化学的原则。利用种子、果皮、叶子和花提取物进行纳米颗粒的绿色合成是一种环保且可持续的方法，利用提取物中的天然生物活性化合物促进纳米颗粒的形成[11]。例如辣木（Moringa）、葫芦巴（Fenugreek）或木瓜（Papaya）的种子特别有效，因为它们含有丰富的蛋白质、黄酮类和生物碱，这些成分可作为还原剂和稳定剂[12]、[13]。该过程通常包括清洗、干燥和研磨种子，然后将所得粉末与蒸馏水或其他溶剂混合以提取生物活性化合物[14]。随后将提取物与金属盐溶液（如硝酸银用于制备银纳米颗粒、氯金酸用于制备金纳米颗粒、氯化铁用于制备氧化铁纳米颗粒、四异丙氧基钛用于制备TiO₂纳米颗粒）混合[15]。种子提取物中的植物化学物质还原金属离子，导致纳米颗粒的形成，这通常表现为溶液颜色的变化。生物分子在氧化铁纳米颗粒的绿色合成中起着关键作用，为传统化学合成方法提供了一种环保且可持续的替代方案[16]。这些来自植物、微生物或其他生物来源的生物分子有助于纳米颗粒的还原和稳定。多酚类、黄酮类、生物碱和蛋白质等化合物作为还原剂，通过羟基、羧基和氨基等官能团的电子捐赠，促进铁盐（如Fe³⁺）转化为氧化铁纳米颗粒[17]。纳米颗粒形成后，生物分子会吸附在其表面，起到封盖和稳定作用，防止聚集并保持其大小和形状[18]。这种吸附提供了空间位阻或静电稳定，增强了纳米颗粒的胶体稳定性[19]。

此外，生物分子还影响纳米颗粒的成核和生长过程，控制其大小和形状[20]、[21]。例如，蛋白质和多糖可以模板化纳米颗粒的形成，从而产生特定的形态[22]。生物分子官能团与纳米颗粒表面的相互作用决定了纳米颗粒的最终结构。表面存在的生物分子引入了多种官能团，改善了纳米颗粒的表面化学性质[23]。这种功能化提高了纳米颗粒在水性和有机溶剂中的分散性，增强了其生物相容性，并便于与其他分子结合以实现特定应用[24]。绿色合成中常用的生物分子包括富含多酚类、黄酮类和其他植物化学物质的植物提取物，例如绿茶、芦荟和印楝。来自细菌、真菌和藻类的微生物提取物（如铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）或黑曲霉（Aspergillus niger）的代谢物也能有效还原和稳定纳米颗粒[25]、[26]。此外，牛血清白蛋白（BSA）等蛋白质和葡萄糖氧化酶等酶也因它们的官能团和构象灵活性而有助于纳米颗粒的合成[27]。使用生物分子具有诸多优势，包括无需有毒化学物质和溶剂，提高生物相容性，使纳米颗粒适用于生物医学应用，并且由于生物材料的可用性而降低成本[27]。总体而言，生物分子为氧化铁纳米颗粒的绿色合成提供了一种可持续且多功能的方法，在医学、环境修复和催化等多个领域具有广泛应用前景[28]、[29]、[30]。

然而，在已研究的纳米材料中，氧化铁纳米颗粒及其相关纳米复合材料是最受关注的。氧化铁有超过十六种不同的相态，可以是结晶态或非晶态。磁赤铁矿（γ-Fe₂O₃）、磁铁矿（Fe₃O₄）、针铁矿（α-FeOOH）和赤铁矿（α-Fe₂O₃）是最常见的四种结晶相[31]。这些氧化铁相具有独特的物理化学性质，使其在环境应用中具有吸引力，并且表现出多态性行为，包括温度诱导的相变。基于氧化铁的纳米颗粒因其无毒、可回收、化学稳定性和生物相容性而在废水处理中得到广泛应用[32]。通过催化光降解机制和吸附过程，它们在去除水系统中的污染物方面特别有效[33]。

在本研究中，我们成功使用葵花籽提取物作为封盖剂和还原剂合成了氧化铁纳米颗粒（G@Fe₂O₃）。据我们所知，目前尚无关于使用葵花籽提取物绿色合成Fe₂O₃纳米颗粒的报道。所提出的提取物价格低廉、易于使用、环保，并且可以在水中提取（无需任何有毒物质）。优化了关键因素的影响，并采用了不同的技术对所得氧化铁纳米颗粒进行了表征。

章节片段

化学物质和材料

本研究中使用的所有化学物质均为分析级，具有指定的纯度，按原样使用无需进一步纯化。FeCl₃.6H₂O（纯度99.99%）、异丙醇（IPA）（纯度99.5%）、苯醌（BQ）（纯度99.7%）、乙二胺四乙酸（EDTA）（纯度98%）和NH₄OH（纯度30%）均购自Loba Chemicals India。葵花籽购自印度旁遮普邦贾兰达尔当地市场。使用双蒸馏水

Fe₂O₃纳米颗粒的合成

氧化铁纳米颗粒可以通过植物提取物中的多酚分子和金属盐的绿色合成过程来制备。葵花籽提取物中的生物分子（如多酚类、黄酮类和生物碱）作为还原剂，通过羟基、羧基和氨基等官能团的电子捐赠，促进铁盐（Fe³⁺）转化为氧化铁纳米颗粒

结论

总之，本研究成功展示了使用绿色化学和传统化学方法合成氧化铁（Fe₂O₃）纳米颗粒的过程，其中葵花籽提取物作为环保的稳定剂和还原剂。对合成纳米颗粒的全面表征证实了它们的结构和形态特性，这些特性有利于其有效的光催化活性。对其催化性能的评估表明

CRediT作者贡献声明

维马尔·巴尔德瓦杰（Vimal Bhardwaj）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、概念构思。加格尼什·加格尼什（Gagnish）：软件开发、实验研究。里舒·迪曼（Rishu Dhiman）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、初稿撰写。罗希塔什·库马尔（Rohitash Kumar）：初稿撰写、软件开发、方法设计、实验研究、数据分析。瓦伊莎利·亚达夫（Vaishali Yadav）：初稿撰写、软件开发

未引用参考文献

[42]。

利益冲突声明

☒ 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢贾兰达尔国家技术学院的B.R. Ambedkar博士提供的基础设施支持。罗希塔什·库马尔还感谢印度教育部的研究奖学金资助。作者还感谢DST-FIST、IIC NIT Jalandhar以及北方邦哈普尔（Hapur, Uttar Pradesh-245101）的SSV PG学院对研究中采用的多种表征方法的贡献。