Magnesium-gedopeerde Zinkoxide Nanodeeltjes: Optimaliseren van Fotokatalytische Afbraak en Antibacteriële Effectiviteit

Samenvatting

Met een eenvoudige co-precipitatiebenadering synthetiseerden we zuivere en Mg-gedopeerde ZnO-nanodeeltjes (NPs) met 0–7,5 mol% Mg. Röntgendiffractie bevestigde een enkele hexagonale wurtzite-fase, terwijl SEM nanoschaalkorrels (30–110 nm) met hexagonale morfologie onthulde. Mg-incorporatie verlaagde de bandkloof van 3,36 tot 3,04 eV en produceerde een rood-verschuivende absorptierand. Photoluminescentie toonde versterkte zichtbare emissie tussen 430 en 600 nm, wat verhoogde defectdichtheid aangeeft. In fotokatalytische tests bereikte 7,5% Mg-ZnO 70% afbraak van Rhodamine B onder UV-Vis-bestraaling. Antibacteriële assays tegen Gram-positieve (S. aureus) en Gram-negatieve (E. coli, Proteus) stammen toonden aan dat Mg-doping progressief de zone-van-remming-diameters versterkte, wat superieure antimicrobiële prestaties bevestigt.

Achtergrond

Nanodeeltjes vertonen grootte-afhankelijke eigenschappen die interacties met biologische systemen en milieuverontreinigingen mogelijk maken. Zinkoxide (ZnO) is een kosteneffectieve, chemisch stabiele halfgeleider wijd gebruikt in zonnebrandcrèmes, fotokatalyse en antibacteriële toepassingen. Doping van ZnO met tweewaardige metalen zoals Mg kan de optische bandkloof, defectchemie en oppervlaktereactiviteit afstemmen, wat fotokatalytische en antimicrobiële activiteiten verbetert. Mg, kleiner dan Zn, vervangt Zn²⁺ in het rooster, wat spanning induceert en zuurstofvacatures creëert die dienen als actieve plaatsen voor ladingsdragerscheiding en reactieve-zuurstofsoort (ROS) generatie.

Methoden

Analytische-graad reagentia (Sigma-Aldrich) werden zonder verdere zuivering gebruikt. ZnCl₂ en MgCl₂ werden gemengd in molaire verhoudingen van 0,975:0,025, 0,950:0,050 en 0,925:0,075 om 2,5%, 5% en 7,5% Mg-gedopeerde ZnO te verkrijgen, respectievelijk. Een 1 M NaOH-oplossing werd druppelgewijs toegevoegd aan het metaal-chloridemengsel onder vigoureus roeren; het resulterende neerslag werd 6 u gerijpt, gefilterd, gewassen met gedeioniseerd water en aceton, gedroogd bij 100 °C, gemalen en gecalcineerd bij 300 °C gedurende 4 u. De co-precipitatieroute levert hoge-zuiverheid, nanoschaal deeltjes bij omstandigheden op.

Structurele, morfologische en optische eigenschappen werden gekarakteriseerd door XRD (Bruker D8, Cu Kα, λ = 1,54056 Å), FE-SEM (ZEISS), UV-Vis spectroscopie (Hitachi U-3900H) en photoluminescentie (Job HR800, 325 nm He-Cd laser). Antibacteriële activiteit werd beoordeeld via agar-schijfdiffusie tegen E. coli, S. aureus en Proteus-stammen.

Resultaten en Discussie

Structurele Analyse

XRD-patronen (Fig. 2) toonden kenmerkende pieken bij 31,8°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,7°, 62,9° en 68°, wat de hexagonale wurtzite-structuur bevestigt (JCPDS 36-1451). Geen secundaire fasen werden gedetecteerd. Piekintensiteiten namen af met toenemende Mg, wat lichte kristallijnheidsverlies door roostervervorming aangeeft. De (101)-piek verschuifde naar lagere hoeken, consistent met Mg²⁺ (ionische straal = 0,57 Å) die Zn²⁺ (0,60 Å) vervangt. Kristallijngrootte, berekend via Scherrer's vergelijking, nam toe van ~35 nm (zuiver) tot ~70 nm (7,5% Mg). Tabel 1 vat roosterparameters, atomaire pakkingsbreuken en spanningwaarden samen.

Morfologie en Samenstelling

FE-SEM-beelden (Fig. 3) tonen goed-gedefinieerde hexagonale korrels van 30 tot 110 nm, met hogere Mg-gehalte leidend tot betere dispersie. EDS-spectra (Fig. 4) bevestigen de aanwezigheid van Zn, Mg en O, met Mg-intensiteit gecorreleerd aan dopingsniveau en geen vreemde elementen gedetecteerd.

Optische Eigenschappen

UV-Vis-absorptie (Fig. 5a) onthult verhoogde absorbantie en een rood-verschuivende absorptierand naarmate Mg-gehalte stijgt. Tauc-plots (Fig. 5b) leveren bandkloofwaarden die dalen van 3,36 eV (zuiver) tot 3,04 eV (7,5% Mg), wat versterkte quantum-confinement en defect-geïnduceerde toestanden reflecteert.

Photoluminescentie

PL-spectra (Fig. 6) tonen een sterke UV-piek (~400 nm) en een brede zichtbare band (450–620 nm). Zichtbare emissie versterkt met Mg-doping, wat meer oppervlakte-anionvacatures en verbeterde elektronen-gat-scheiding aangeeft.

Fotokatalytische Prestaties

Onder 125 W (311 nm) UV-bestraaling bereikte 7,5% Mg-ZnO 78% afbraak van Rhodamine B na 120 min, wat zuiver ZnO (≈ 20%) overtreft. Kinetische analyse (Fig. 9) toont eerste-orde snelheidsconstanten die stijgen van 1,09 × 10⁻³ tot 1,26 × 10⁻² min⁻¹ met Mg-gehalte, wat verbeterde ladingsdragerdynamiek bevestigt. De verbetering wordt toegeschreven aan verhoogde oppervlakte, zuurstofvacatures en effectieve elektronen-sinks geleverd door Mg-incorporatie.

Antibacteriële Activiteit

Schijfdiffusie-assays (Fig. 10) onthullen dat Mg-ZnO NPs zowel Gram-positieve als Gram-negatieve bacteriën remmen. Zones van remming vergroten met hogere Mg-percentages, bereikend 18 mm tegen E. coli en 20 mm tegen S. aureus voor 7,5% Mg-ZnO. Versterkte ROS-generatie en verlaagde bandkloof faciliteren sterkere antimicrobiële actie.

Conclusies

Mg-doping via co-precipitatie produceert fase-zuivere ZnO NPs afstemmbare morfologie, verlaagde bandkloof en verhoogde defectdichtheid. 7,5% Mg-ZnO levert superieure fotokatalytische afbraak van organische kleurstoffen en krachtige antibacteriële activiteit, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor milieuremediëring en antimicrobiële toepassingen.