DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-026-09346-z
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: V. Anusha وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد النانوية القائمة على النحاس وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة طريقة فعالة وصديقة للبيئة لتخليق أكسيد المغنيسيوم (Mn₂O₃) وأكسيد النحاس (CuO) ومركبهم Mn₂O₃/CuO باستخدام طريقة وعاء واحد مع مستخلص Ocimum tenuiflorum. تؤكد تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD) وميكروسكوب الإلكترون الناقل عالي الدقة (HRTEM) وميكروسكوب الإلكترون الماسح بالانبعاث الميداني (FESEM) على المراحل المتميزة لـ Mn₂O₃ وCuO، بالإضافة إلى تفاعلاتها السطحية. تم تحديد فجوات الطاقة لتكون 2.6 eV لـ Mn₂O₃ و2.1 eV لـ CuO و3.2 eV للمركب، مما يشير إلى تحسين الخصائص الإلكترونية. كشفت تحليل الفوتولومينسنس (PL) عن انبعاثات زرقاء-خضراء قوية، وخاصة ذروة عند 435 نانومتر للمركب، مما يشير إلى تحسين نقاء اللون وكفاءة الإشعاع.
تشير النتائج إلى أن نانو مركب Mn₂O₃/CuO يحتفظ بالهيكل البلوري لمكوناته، وهو ما يعد ميزة للتطبيقات في المكثفات الفائقة والتحفيز. يظهر المركب خصائص PL متفوقة مقارنة بالأنظمة المبلغ عنها سابقًا، مع ذروة انبعاث ضيقة تُعزى إلى إعادة التركيب المرتبطة بالعيوب وانتقال الشحنات الفعال. يبرز التحليل البصري التعديل الكبير في ديناميات الانبعاث بسبب تشكيل الهياكل غير المتجانسة، مما يؤدي إلى تحسين اقتران مستويات العيوب وإعادة التركيب السطحي. بشكل عام، يظهر مركب Mn₂O₃/CuO إمكانات قوية للتطبيقات في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء المرئي، وأجهزة الاستشعار الضوئية، والأجهزة البصرية الإلكترونية الموفرة للطاقة، بفضل استقراره الهيكلي، وكثافة انبعاثه العالية، وتحسين فصل الشحنات.
مقدمة
أدى التقدم السريع في تكنولوجيا النانو إلى فتح آفاق لتطوير مواد نانوية متعددة الوظائف، وخاصة أكسيد المنغنيز (Mn$_2$O$_3$) وأكسيد النحاس (CuO)، التي تتميز بخصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة، وفعاليتها من حيث التكلفة، واستدامتها البيئية. Mn$_2$O$_3$، وهو شبه موصل من النوع p بفجوة طاقة تبلغ حوالي 2.2-2.4 eV، يظهر سعة نظرية عالية وحالات أكسدة متعددة، مما يسهل التفاعلات الحمراء السريعة وتخزين الشحنات بكفاءة. من ناحية أخرى، يظهر CuO، وهو شبه موصل آخر من النوع p بفجوة طاقة أضيق تبلغ حوالي 1.2-1.9 eV، امتصاصًا قويًا للضوء المرئي وديناميات نقل الشحنات الفعالة، مما يعزز قدراته الضوئية والكيميائية. يتأثر أداء هذه الأكسيدات في تطبيقات الفوتولومينسنس (PL) والمكثفات الفائقة بشكل كبير بالعيوب السطحية، وفجوات الأكسجين، وشكل البلورات.
يهدف تخليق نانو مركبات Mn$_2$O$_3$/CuO إلى استغلال الخصائص التكميلية لكلا المادتين، مما قد يؤدي إلى تحسين فصل الشحنات، وامتصاص الضوء، والاستقرار الكهروكيميائي. من المتوقع أن تعزز هذه الهياكل الهجينة استجابات الفوتولومينسنس وأداء المكثفات الفائقة من خلال التفاعلات السطحية وهندسة العيوب. تؤكد الدراسة على أهمية فهم علاقات الهيكل-الخاصية وتحسين تقنيات التخليق لاستكشاف تطبيقات جديدة في تخزين الطاقة، والتكنولوجيا الطبية الحيوية، وإزالة التلوث البيئي. تركز الأبحاث المقدمة على التخليق، والتوصيف، والتحليل المقارن لـ Mn$_2$O$_3$ النقي، وCuO، ومركباتهما الثنائية النانوية، مع التحقيق بشكل خاص في العلاقة بين خصائص الفوتولومينسنس وقدرات تخزين الشحنات لتحقيق وظيفة مزدوجة في التطبيقات البصرية الإلكترونية.
طرق
في هذه الدراسة، تم تخليق جزيئات نانو Mn₂O₃/CuO ومركباتها باستخدام طريقة خضراء تتضمن مستخلص أوراق Ocimum tenuiflorum (الريحان المقدس). بدأت عملية التخليق بإعداد محلول مسبق للمعادن بتركيز 5 مليمول، باستخدام Cu(NO₃)₂•4H₂O لأكسيد النحاس وMn(NO₃)₂•4H₂O لأكسيد المنغنيز. تم دمج كل محلول مسبق مع 25 مل من مستخلص الأوراق، وتم تعديل الرقم الهيدروجيني إلى 9 باستخدام 6 مليمول NaOH. تم تحريك الخلطات لمدة 24 ساعة في درجة حرارة الغرفة.
بعد التحريك، تم تصفية المنتجات من خلال فلتر غشاء بقطر 0.22 ميكرومتر، وتجفيفها عند 120 درجة مئوية لمدة 3 ساعات، ثم تم حرقها في الهواء عند 400 درجة مئوية لمدة ساعتين. تم تخزين جزيئات النانو التي تم تخليقها في حاويات محكمة الإغلاق للاستخدامات المستقبلية، كما هو موضح في الأشكال المرفقة. تبرز هذه الطريقة نهجًا صديقًا للبيئة لتخليق الجزيئات النانوية، مستفيدة من المستخلصات الطبيعية لتقليل واستقرار أيونات المعادن.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث توصيف Mn₂O₃ وCuO ومركبهم Mn₂O₃/CuO باستخدام تقنيات تحليلية متنوعة. كشفت ميكروسكوب الإلكترون الماسح بالانبعاث الميداني (FE-SEM) وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM) عن أحجام جزيئات متجانسة وأشكال متميزة، مما يدل على بلورية جيدة وهجينة ناجحة للأكسيدين. أكدت أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) على بلورية المواد، مع ذروات محددة تتوافق مع الهيكل المكعب لـ Mn₂O₃ والمرحلة السداسية لـ CuO. تم حساب متوسط أحجام البلورات لتكون 17.65 نانومتر لـ CuO، و10.29 نانومتر لـ Mn₂O₃، و23.98 نانومتر للمركب، مما يشير إلى هيكل نانوي محدد جيدًا.
تم تقييم الخصائص البصرية باستخدام مطياف UV-visible، مما كشف أن مركب Mn₂O₃/CuO أظهر امتصاصًا محسنًا للضوء عبر الطيف المرئي مقارنة بمكوناته الفردية، مما يشير إلى إمكانات لتحسين التطبيقات الضوئية. أظهر تحليل الفوتولومينسنس (PL) ذروة انبعاث بارزة عند 435.51 نانومتر للمركب، تُعزى إلى عمليات إعادة التركيب المرتبطة بالعيوب، والتي تكون أكثر حدة بشكل ملحوظ من تلك التي لوحظت في المواد المبلغ عنها سابقًا. يرتبط هذا التحسين بنقل الشحنات السطحي الفعال بين Mn₂O₃ وCuO، مما يشير إلى أن الهيكل المركب يُحسن من كل من فصل الشحنات وإعادة التركيب الإشعاعي. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على الخصائص البصرية والهيكلية المتفوقة لمركب Mn₂O₃/CuO، مما يجعله مرشحًا واعدًا للتطبيقات الضوئية والكيميائية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-026-09346-z
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): V. Anusha et al.
Primary Topic: Copper-based nanomaterials and applications
Overview
This research presents an efficient and environmentally friendly method for synthesizing magnesia oxide (Mn₂O₃), copper oxide (CuO), and their composite Mn₂O₃/CuO using a one-pot approach with Ocimum tenuiflorum extract. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), and field-emission scanning electron microscopy (FESEM) confirm the distinct phases of Mn₂O₃ and CuO, as well as their interfacial interactions. The energy bandgaps were determined to be 2.6 eV for Mn₂O₃, 2.1 eV for CuO, and 3.2 eV for the composite, indicating enhanced electronic properties. Photoluminescence (PL) analysis revealed strong blue-green emissions, particularly a peak at 435 nm for the composite, suggesting improved color purity and radiative efficiency.
The findings indicate that the Mn₂O₃/CuO nanocomposite retains the crystalline structure of its components, which is advantageous for applications in supercapacitors and catalysis. The composite exhibits superior PL characteristics compared to previously reported systems, with a narrow emission peak attributed to defect-related recombination and efficient charge transfer. The optical analysis highlights the significant modification of emission dynamics due to the formation of heterostructures, leading to enhanced defect-level coupling and interfacial recombination. Overall, the Mn₂O₃/CuO composite demonstrates strong potential for applications in visible light-emitting diodes, photonic sensors, and energy-efficient optoelectronic devices, owing to its structural stability, high emission intensity, and improved charge separation.
Introduction
The rapid advancement of nanotechnology has opened avenues for the development of multifunctional nanomaterials, particularly manganese oxide (Mn$_2$O$_3$) and copper oxide (CuO), which are notable for their unique physicochemical properties, cost-effectiveness, and environmental sustainability. Mn$_2$O$_3$, a p-type semiconductor with a bandgap of approximately 2.2-2.4 eV, exhibits high theoretical capacitance and multiple oxidation states, facilitating rapid redox reactions and efficient charge storage. Conversely, CuO, another p-type semiconductor with a narrower bandgap of about 1.2-1.9 eV, demonstrates strong visible-light absorption and effective charge transfer kinetics, enhancing its photoelectronic and catalytic capabilities. The performance of these oxides in photoluminescence (PL) and supercapacitor applications is significantly influenced by surface defects, oxygen vacancies, and crystal morphology.
The synthesis of Mn$_2$O$_3$/CuO nanocomposites aims to harness the complementary properties of both materials, potentially leading to improved charge separation, light absorption, and electrochemical stability. These hybrid structures are anticipated to enhance photoluminescence responses and supercapacitor performance through interfacial interactions and defect engineering. The study emphasizes the importance of understanding structure-property correlations and optimizing synthesis techniques to explore novel applications in energy storage, biomedical technology, and environmental remediation. The research presented focuses on the synthesis, characterization, and comparative analysis of pure Mn$_2$O$_3$, CuO, and their binary nanocomposites, particularly investigating the relationship between their photoluminescence characteristics and charge storage capabilities for dual functionality in optoelectronic applications.
Methods
In this study, Mn₂O₃/CuO nanoparticles and their composites were synthesized using a green method involving Ocimum tenuiflorum (Holy basil) leaf extract. The synthesis process began with the preparation of a 5 mM metal precursor solution, utilizing Cu(NO₃)₂•4H₂O for CuO and Mn(NO₃)₂•4H₂O for Mn₂O₃. Each precursor solution was combined with 25 mL of the leaf extract, and the pH was adjusted to 9 using 6 M NaOH. The mixtures were agitated for 24 hours at room temperature.
Following agitation, the products were filtered through a 0.22 μm membrane filter, dried at 120 °C for 3 hours, and subsequently calcined in air at 400 °C for 2 hours. The synthesized nanoparticles were then stored in sealed containers for future applications, as illustrated in the accompanying figures. This method highlights an environmentally friendly approach to nanoparticle synthesis, leveraging natural extracts for the reduction and stabilization of metal ions.
Discussion
The discussion section of the research paper details the characterization of Mn₂O₃, CuO, and their composite Mn₂O₃/CuO using various analytical techniques. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and transmission electron microscopy (TEM) revealed uniform particle sizes and distinct morphologies, indicating good crystallinity and successful hybridization of the two oxides. X-ray diffraction (XRD) patterns confirmed the crystallinity of the materials, with specific peaks corresponding to the cubic structure of Mn₂O₃ and the hexagonal phase of CuO. The average crystallite sizes were calculated to be 17.65 nm for CuO, 10.29 nm for Mn₂O₃, and 23.98 nm for the composite, suggesting a well-defined nanostructure.
Optical properties were assessed using UV-visible spectroscopy, revealing that the Mn₂O₃/CuO composite exhibited enhanced light absorption across the visible spectrum compared to its individual components, indicating potential for improved photocatalytic applications. The photoluminescence (PL) analysis showed a prominent emission peak at 435.51 nm for the composite, attributed to defect-related recombination processes, which is significantly sharper than those observed in previously reported materials. This enhancement is linked to the effective interfacial charge transfer between Mn₂O₃ and CuO, suggesting that the composite structure optimizes both charge separation and radiative recombination. Overall, the findings highlight the superior optical and structural properties of the Mn₂O₃/CuO composite, positioning it as a promising candidate for optoelectronic and photocatalytic applications.