NiO和BaO掺杂NiO的结构、光学及抗菌性能研究

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镍氧化物 BaO掺杂 抗菌性能 光学性能 共沉淀法

学术背景

镍氧化物（NiO）作为一种p型半导体，因其优异的光学性能、化学稳定性以及在光电子学、光催化和生物传感器等领域的广泛应用而备受关注。NiO的高透明度、可调节的电导率和宽禁带特性使其成为太阳能电池、光电探测器和能量存储系统的理想材料。然而，NiO的抗菌性能及其在生物医学领域的应用潜力仍需要进一步研究。尽管已有研究表明NiO能够通过产生活性氧（ROS）抑制细菌生长，但其抗菌效率受到晶体尺寸、缺陷密度和表面结构等因素的影响。

近年来，掺杂技术被广泛应用于优化NiO的性能。BaO（氧化钡）作为一种掺杂剂，被认为可以改善NiO的光学性能，但其对NiO抗菌性能的影响尚未得到充分研究。因此，本研究旨在通过共沉淀法合成纯NiO和BaO掺杂的NiO（Ba-NiO）纳米颗粒，系统研究BaO掺杂对NiO结构、光学性能及抗菌性能的影响，为优化NiO基材料在生物技术及相关领域的应用提供理论基础。

论文来源

本研究由Sreenivasa Kumar Godlaveeti、N. Rajesh、Mohamed Ouladsmane、Ahmed M. Aljuwayid、K. Riazunnisa、Shaik Mohammed Azharuddin和Rajababu Chintaparty共同完成。研究团队分别来自大连理工大学能源与动力工程学院、Yogi Vemana大学生物技术与生物信息学系、Rajeev Gandhi纪念工程技术学院物理系、沙特国王大学化学系和Annamacharya大学物理系。该论文于2025年3月25日被Springer Nature旗下的Bionanoscience期刊接受，并于同年发表。

研究流程

1. 材料合成

研究采用共沉淀法合成纯NiO和BaO掺杂的NiO纳米颗粒。具体步骤如下： - 试剂准备：使用分析纯的醋酸镍四水合物（Ni(C₂H₃O₂)₂·4H₂O）和氯化钡二水合物（BaCl₂·2H₂O）作为原料，氢氧化钠（NaOH）作为沉淀剂。 - 溶液制备：将1 M的醋酸镍溶液和4 M的NaOH溶液分别溶解在蒸馏水中，摩尔比为1:4。 - 共沉淀反应：在磁力搅拌下，将NaOH溶液缓慢加入醋酸镍溶液中，确保均匀沉淀。沉淀物经过滤、洗涤后，在90°C下干燥3小时。 - 煅烧处理：干燥后的材料在800°C下煅烧2小时，得到纯NiO。BaO掺杂的NiO采用相同方法制备，掺杂比例为5%。

2. 结构表征

  • X射线衍射（XRD）分析：通过XRD分析纯NiO和Ba-NiO的晶体结构。结果显示，纯NiO具有面心立方（FCC）结构，而BaO掺杂引入了额外的衍射峰，表明Ba²⁺成功进入NiO晶格。
  • 透射电子显微镜（TEM）分析：TEM图像显示，纯NiO纳米颗粒呈球形，而Ba-NiO则呈现出球形和纳米棒混合的形貌。
  • 元素映射和能谱（EDS）分析：通过EDS确认了Ba在掺杂样品中的存在，原子百分比为0.17%，重量百分比为0.72%。

3. 光学性能研究

  • 紫外-可见吸收光谱：纯NiO的吸收边位于313 nm，而Ba-NiO的吸收边发生红移，表明禁带能量降低。
  • Tauc图分析：通过Tauc图计算禁带能量，纯NiO的禁带能量为3.0 eV，而Ba-NiO的禁带能量略有降低。

4. 抗菌性能测试

  • 实验设计：采用琼脂扩散法评估NiO和Ba-NiO纳米颗粒对大肠杆菌（E. coli）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的抗菌活性。
  • 结果分析：纯NiO在所有浓度下均表现出更大的抑菌圈，表明其抗菌活性优于Ba-NiO。

主要结果

1. 结构分析

BaO掺杂显著改变了NiO的晶体结构，导致晶格畸变和结晶度提高。XRD和TEM分析表明，Ba-NiO的晶粒尺寸增大，且形貌从球形转变为球形与纳米棒混合。

2. 光学性能

BaO掺杂导致NiO的吸收边红移，禁带能量降低。这一变化与BaO掺杂提高的结晶度和减少的缺陷密度有关。

3. 抗菌性能

纯NiO表现出更高的抗菌活性，这归因于其更高的缺陷密度和更大的比表面积。BaO掺杂虽然改善了光学性能，但略微降低了抗菌效率。

研究结论

本研究通过共沉淀法成功合成了纯NiO和BaO掺杂的NiO纳米颗粒，并系统研究了BaO掺杂对NiO结构、光学性能及抗菌性能的影响。研究结果表明，BaO掺杂显著改善了NiO的光学性能，但略微降低了其抗菌活性。纯NiO由于其更高的缺陷密度和更大的比表面积，表现出更优异的抗菌性能。这些发现为优化NiO基材料在生物医学、光催化和环境治理等领域的应用提供了重要参考。

研究亮点

  1. 创新性合成方法：采用共沉淀法高效、低成本地合成了纯NiO和BaO掺杂的NiO纳米颗粒。
  2. 系统性性能研究：首次系统研究了BaO掺杂对NiO结构、光学性能及抗菌性能的影响。
  3. 应用潜力：研究结果为开发高性能NiO基抗菌材料和光催化材料提供了理论基础。

研究价值

本研究的科学价值在于揭示了BaO掺杂对NiO性能的多重影响，为材料设计和性能优化提供了新思路。其应用价值在于为开发高效抗菌涂层、光催化材料和能源存储设备提供了潜在的材料候选。未来研究可以进一步探索不同掺杂浓度和复合材料的性能，以实现更广泛的应用。

其他有价值信息

本研究的实验数据和分析方法为类似材料的研究提供了参考模板。此外，研究团队还计划进一步探索其他掺杂剂对NiO性能的影响，以拓展其应用范围。