Nanoparticules ZnO dopées magnésium : optimisation de la dégradation photocatalytique et l'efficacité antibactérienne

Résumé

En utilisant une approche simple de co-précipitation, nous avons synthétisé des nanoparticules (NP) ZnO pures et dopées Mg avec 0-7,5 mol % Mg. La diffraction des rayons X a confirmé une phase unique hexagonale wurtzite, tandis que la MEB révélait des grains nanoscopiques (30-110 nm) à morphologie hexagonale. L'incorporation de Mg abaissait le gap de bande de 3,36 à 3,04 eV et produisait un bord d'absorption décalé vers le rouge. La photoluminescence montrait une émission visible accrue entre 430 et 600 nm, indicative d'une densité de défauts accrue. Dans tests photocatalytiques, 7,5 % Mg-ZnO atteignait 78 % dégradation de Rhodamine B sous irradiation UV-Vis. Essais antibactériens contre souches Gram-positif (S. aureus) et Gram-négatif (E. coli, Proteus) démontraient que le dopage Mg intensifiait progressivement les diamètres de zone d'inhibition, confirmant performance antimicrobienne supérieure.

Contexte

Les nanoparticules affichent des propriétés taille-dépendantes permettant interactions avec systèmes biologiques et polluants environnementaux. L'oxyde de zinc (ZnO) est un semi-conducteur rentable, chimiquement stable largement utilisé dans écrans solaires, photocatalyse et applications antibactériennes. Le dopage ZnO avec métaux divalents comme Mg peut adapter son gap optique, chimie de défauts et réactivité de surface, améliorant ainsi activités photocatalytique et antimicrobienne. Le Mg, plus petit que Zn, se substitue à Zn²⁺ dans le réseau, induisant contrainte et créant lacunes d'oxygène servant comme sites actifs pour séparation porteurs de charge et génération espèces réactives d'oxygène (ROS).

Méthodes

Réactifs grade analytique (Sigma-Aldrich) utilisés sans purification supplémentaire. ZnCl₂ et MgCl₂ étaient mélangés en rapports molaires 0,975:0,025, 0,950:0,050 et 0,925:0,075 pour obtenir 2,5 %, 5 % et 7,5 % Mg-ZnO dopé respectivement. Une solution NaOH 1 M était ajoutée goutte à goutte au mélange chlorures métalliques sous agitation vigoureuse ; le précipité résultant vieillissait 6 h, filtré, lavé eau déionisée et acétone, séché 100 °C, broyé et calciné 300 °C pendant 4 h. La voie co-précipitation produit particules nanosize haute pureté à conditions ambiantes.

Propriétés structurales, morphologiques et optiques caractérisées par DRX (Bruker D8, Cu Kα, λ = 1,54056 Å), MEB-FE (ZEISS), spectroscopie UV-Vis (Hitachi U-3900H) et photoluminescence (Job HR800, laser He-Cd 325 nm). Activité antibactérienne évaluée via diffusion disque gélose contre E. coli, S. aureus et souches Proteus.

Résultats et Discussion

Analyse structurale

Diagrammes DRX (Fig. 2) exhibaient pics caractéristiques à 31,8°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,7°, 62,9° et 68°, confirmant structure hexagonale wurtzite (JCPDS 36-1451). Aucunes phases secondaires détectées. Intensités pics diminuaient avec Mg croissant, indiquant légère perte cristallinité due distorsion réseau. Pic (101) décalait vers angles inférieurs, cohérent avec Mg²⁺ (rayon ionique = 0,57 Å) substituant Zn²⁺ (0,60 Å). Tailles cristallites, calculées via équation Scherrer, augmentaient de ~35 nm (pur) à ~70 nm (7,5 % Mg). Tableau 1 résume paramètres réseau, fractions compactage atomique et valeurs contrainte.

Morphologie et composition

Images MEB-FE (Fig. 3) montrent grains hexagonaux bien définis 30-110 nm, avec teneur Mg plus élevée donnant meilleure dispersion. Spectres EDS (Fig. 4) confirment présence Zn, Mg, O, intensité Mg corrélant niveau dopage et aucun élément extrané détecté.

Propriétés optiques

Absorption UV-Vis (Fig. 5a) révèle absorbance accrue et bord absorption décalé rouge à mesure que teneur Mg augmente. Diagrammes Tauc (Fig. 5b) donnent gaps bande décroissant de 3,36 eV (pur) à 3,04 eV (7,5 % Mg), reflétant confinement quantique accru et états induits défauts.

Photoluminescence

Spectres PL (Fig. 6) affichent pic UV fort (~400 nm) et large bande visible (450-620 nm). Émission visible s'intensifie avec dopage Mg, indiquant plus lacunes anion surface et séparation électron-trous améliorée.

Performance photocatalytique

Sous irradiation UV 125 W (311 nm), 7,5 % Mg-ZnO atteignait 78 % dégradation Rhodamine B après 120 min, surpassant ZnO pur (≈ 20 %). Analyse cinétique (Fig. 9) montre constantes vitesse premier ordre augmentant de 1,09 × 10⁻³ à 1,26 × 10⁻² min⁻¹ avec teneur Mg, confirmant dynamique porteurs charge améliorée. L'amélioration est attribuée à surface accrue, lacunes oxygène et puits électroniques effectifs fournis par incorporation Mg.

Activité antibactérienne

Essais diffusion disque (Fig. 10) révèlent que NPs Mg-ZnO inhibent bactéries Gram-positif et Gram-négatif. Zones inhibition s'élargissent avec pourcentages Mg plus élevés, atteignant 18 mm contre E. coli et 20 mm contre S. aureus pour 7,5 % Mg-ZnO. Génération ROS accrue et gap bande réduit facilitent action antimicrobienne plus forte.

Conclusions

Le dopage Mg via co-précipitation produit NPs ZnO phase-pure avec morphologie ajustable, gap bande réduit et densité défauts accrue. 7,5 % Mg-ZnO délivre dégradation photocatalytique supérieure colorants organiques et activité antibactérienne puissante, en faisant candidat prometteur pour remédiation environnementale et applications antimicrobiennes.