镁掺杂氧化锌纳米颗粒：优化光催化降解与抗菌效能

摘要

采用简单共沉淀法合成纯与Mg掺杂ZnO纳米颗粒（NPs），Mg掺杂量0–7.5 mol%。X射线衍射确认单一六方纤锌矿相，SEM显示30–110 nm六方晶粒。Mg掺杂将带隙从3.36 eV降至3.04 eV并产生吸收边红移。光致发光显示430–600 nm可见光发射增强，指示缺陷密度增加。光催化测试中，7.5% Mg-ZnO在UV-Vis照射下实现罗丹明B 78%降解。抗菌实验针对革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌）与阴性（大肠杆菌、变形杆菌）菌株，Mg掺杂渐进式增大抑菌圈直径，确证抗菌性能优越。

研究背景

纳米颗粒展现尺寸依赖性质，能与生物系统及环境污染物相互作用。氧化锌（ZnO）是性价比高、化学稳定的半导体，广泛用于防晒霜、光催化、抗菌应用。用二价金属如Mg掺杂ZnO可调控光学带隙、缺陷化学、表面反应性，从而增强光催化与抗菌活性。Mg离子半径小于Zn，取代晶格中Zn²⁺诱导应变并产生氧空位，作为载流子分离与活性氧（ROS）生成的活性位点。

方法

分析纯试剂（Sigma-Aldrich）直接使用。ZnCl₂与MgCl₂按摩尔比0.975:0.025、0.950:0.050、0.925:0.075混合，得2.5%、5%、7.5% Mg掺杂ZnO。1 M NaOH滴加入金属氯化物混合液剧烈搅拌下；沉淀陈化6 h，过滤、去离子水与丙酮洗涤，100°C干燥、研磨，300°C煅烧4 h。共沉淀法在常温条件下产出高纯度纳米颗粒。

XRD（Bruker D8，Cu Kα，λ=1.54056 Å）、场发射SEM（ZEISS）、UV-Vis光谱（Hitachi U-3900H）、光致发光（Job HR800，325 nm He-Cd激光）表征结构、形貌、光学性质。琼脂扩散法测大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、变形杆菌抗菌活性。

结果与讨论

结构分析

XRD图谱（图2）呈特征峰：31.8°、34.5°、36.3°、47.5°、56.7°、62.9°、68°，确证六方纤锌矿结构（JCPDS 36-1451）。未检测到第二相。峰强随Mg增加减弱，指示晶格畸变导致结晶度轻微下降。（101）峰向低角度偀移，符合Mg²⁺（离子半径0.57 Å）取代Zn²⁺（0.60 Å）。Scherrer公式计算晶粒尺寸从纯相~35 nm增至7.5% Mg掺杂~70 nm。表1汇总晶格参数、原子堆积因子、应变值。

形貌与组成

场发射SEM图像（图3）显示清晰六方晶粒，尺寸30–110 nm，高Mg含量分散性更好。EDS谱（图4）确认Zn、Mg、O元素，Mg强度随掺杂水平增加，无杂质元素。

光学性质

UV-Vis吸收（图5a）显示吸收率随Mg含量升高增强，吸收边红移。Tauc图（图5b）得带隙从纯相3.36 eV降至7.5% Mg掺杂3.04 eV，反映量子限域增强与缺陷诱导态。

光致发光

PL谱（图6）呈强紫外峰（~400 nm）与宽可见光带（450–620 nm）。可见光发射随Mg掺杂增强，指示更多表面阴离子空位与改进电子-空穴分离。

光催化性能

125 W（311 nm）UV照射下，7.5% Mg-ZnO经120 min达罗丹明B 78%降解，纯ZnO仅约20%。动力学分析（图9）显示一级速率常数随Mg含量从1.09×10⁻³增至1.26×10⁻² min⁻¹，确证载流子动力学增强。改善归因于比表面积增加、氧空位增多、Mg掺杂提供有效电子陷阱。

抗菌活性

扩散法测试（图10）显示Mg-ZnO NPs抑制革兰氏阳性与阴性菌。抑菌圈随Mg百分比渐进扩大，7.5% Mg-ZnO对大肠杆菌达18 mm、金黄色葡萄球菌达20 mm。增强ROS生成与带隙降低促成更强抗菌作用。

结论

共沉淀法Mg掺杂制得相纯ZnO NPs，形貌可调、带隙降低、缺陷密度增加。7.5% Mg-ZnO实现有机染料卓越光催化降解与强效抗菌活性，成为环境修复与抗菌应用的有力候选材料。