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Enhanced Crystal Violet dye degradation using Artemisia plant-based synthesized Indium- doped ZnO nanocomposites under UV- Irradiation

本研究表明，利用艾蒿（*Artemisia vulgaris*）提取物合成的铟掺杂氧化锌纳米复合材料在紫外光照射下表现出增强的光催化效率，由于带隙能量降低和缺陷浓度增加，分别在 25 分钟和 300 分钟内实现了 99.9% 的结晶紫脱色率和 95% 的矿化率。

原作者： badreddine TOUBAL, Asma BESSAAD, Ibtissem BOUSNOUBRA, Khaled CHETTAH, Lynda AROUI

发布于 2026-07-31

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CC BY 4.0

原作者： badreddine TOUBAL, Asma BESSAAD, Ibtissem BOUSNOUBRA, Khaled CHETTAH, Lynda AROUI

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

技术摘要：利用艾菊（Artemisia）植物合成的� enough 掺杂 ZnO 纳米复合材料增强结晶紫染料的降解

问题陈述
合成染料（特别是结晶紫，CV）向水生态系统的排放会对环境和健康造成显著风险，包括水体脱氧、透光度降低以及内分泌干扰物的引入。虽然半导体光催化剂（如氧化锌，ZnO）为降解有机污染物提供了极具前景的解决方案，但其性能往往受限于宽禁带（~3.37 eV）和快速的电子-空穴复合。此外，传统的合成方法通常涉及有毒化学品。本研究旨在解决对生态友好型合成路径的需求，并通过掺杂提高 ZnO 的光催化效率。

研究方法
研究人员采用了使用艾菊（Artemisia vulgaris）提取物作为还原剂和封端剂的绿色合成方法，用以合成纯 ZnO（P-ZnO）和� enough 掺杂 ZnO（5In-ZnO）纳米复合材料。

合成： 硝酸锌六水合物作为 ZnO 的前驱体，而硝酸� enough (III) 用于引入 5 原子百分比（at.%）的� enough 掺杂剂。该过程包括将植物提取物与金属盐混合，将 pH 值调节至 10，在 7-0°C 下搅拌，随后进行干燥和退火处理。
表征： 利用 X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散 X 射线谱（EDX）、透射电子显微镜（TEM）、紫外-可见光谱、光致发光（PL）光谱以及振动样品磁强计（VSM）对物理性质进行了分析。
光催化测试： 在 UV 照射（365 nm）和自然阳光下评估了 CV 染料的降解情况。研究的关键参数包括 pH 值、初始染料浓度以及通过叔丁醇作为清除剂所研究的活性物种作用。通过化学需氧量（COD）测量评估了矿化程度。

主要贡献与结果

结构与形貌特性：
- P-ZnO 和 5In-ZnO 均表现出六方纤锌矿晶体结构。XRD 分析显示，� enough 掺杂导致衍射峰向低角度轻微偏移，且晶粒尺寸从 57.3 nm（P-ZnO）减小至 53.1 nm（5In-ZnO）。
- 未检测到氧化� enough 的第二相，表明 Zn²⁺ 离子成功被 In³⁺ 离子取代进入晶格。
- SEM 和 TEM 分析显示出异质颗粒形状和团聚现象，颗粒尺寸范围在 20 至 50 nm 之间。
光学与电子特性：
- UV-Vis 吸光光谱显示出蓝移，且光学带隙从 3.24 eV（P-ZnO）降低至 3.22 eV（5In-ZnO）。这种降低归因于缺陷态（如氧空位和锌间隙）的形成以及� enough 引入的浅施主能级。
- PL 分析显示出两个发射峰：一个 UV 峰（带到带跃迁）和一个可见光峰（缺陷相关）。5In-ZnO 的可见光发射（568 nm）比 P-ZnO（566 nm）更强，表明点缺陷浓度增加。
- 增加的缺陷密度与室温下产生的弱铁磁性有关，这通过 M-H 磁滞回线得到了证实。饱和磁化强度（ $M_s$ ）从 0.0343 emu/g（P-ZnO）增加到 0.0429 emu/g（5In-ZnO）。
光催化性能：
- 降解效率： 在 UV 照射下，5In-ZnO 纳米复合材料在 25 分钟内实现了 CV 染料 99.9% 的脱色，显著优于纯 ZnO（在相同条件下 60 分钟后仅达到 72% 的降解率）。
- 动力学： 降解遵循伪一级动力学（Langmuir-Hinshelwood 模型）。反应速率常数（ $k_{app}$ ）在较低的初始染料浓度（10 ppm）下最高。
- 机制： 清除剂研究证实，羟基自由基（•OH）在降解过程中起主导作用。� enough 的引入被认为增强了光生电子-空穴对的分离，从而减少了复合并促进了活性自由基（ $O_2^{\bullet-}$ 和 $OH^{\bullet}$ ）的形成。
- 太阳光 vs. UV： 该催化剂在自然阳光下的表现更为高效，在 20 分钟内实现了近 100% 的去除，而在相同时间内，人工 UV 光下的去除率约为 90%。
- 矿化： 矿化（转化为无机产物）的过程比脱色过程更慢，在照射 300 分钟后 COD 去除率达到 95%。

意义与主张
论文声称，使用艾菊（Artemisia vulgaris）的绿色合成法对于生产高质量的掺杂纳米复合材料是有效的。其主要意义在于证明了� enough 掺杂结合植物介导的合成法，能显著增强 ZnO 对结晶紫的降解光催化活性。作者将其增强归因于：

带隙调制： 带隙能量的轻微降低有助于改善光吸收。
缺陷工程： 点缺陷（氧空位）的增加作为电荷载流子的陷阱，从而延长其寿命并减少复合。
磁性特性： 诱导出的弱铁磁性，尽管论文主要关注光催化机制，但也可能有助于催化剂的回收。

研究结论认为，5In-ZnO 是一种高效、环保的光催化剂，用于修复纺织废水，能够在 UV 和太阳光照射下短时间内实现近乎完全的脱色。

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