Umweltfreundliche und kostengünstige Synthese von Zinnoxid-Nanopartikeln:Ein Überblick über die Synthesemethoden, den Bildungsmechanismus und ihre potenziellen Anwendungen

Einführung

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Nanotechnologie als neues Forschungsgebiet herausgebildet, das sich mit der Synthese, Charakterisierung, Modifizierung und Nutzung von Nanomaterialien für ihre enorme Anwendung in Bereichen wie Pharmazie, Lebensmittelindustrie, Kosmetik, Textilindustrie, Medizin, Optik, Elektronik, Energiewissenschaft und elektrochemische Anwendungen [1,2,3,4]. Nanomaterialien sind Materialien mit einer Dimension in einem Größenbereich von 1–100 nm. Das sehr große Oberflächen-Volumen-Verhältnis und die extrem geringe Größe dieser Materialien können im Vergleich zu ihren Massenmaterialien zu völlig neuen oder verbesserten elektrischen, optischen, magnetischen, katalytischen und antimikrobiellen Aktivitäten führen [5,6,7]. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften finden Nanopartikel Anwendung in verschiedenen Bereichen der modernen Wissenschaft und Technik, wie der Nanomedizin, Photokatalyse, Biosensoren, Reinigungsmittel und der Textilindustrie [1, 8]. Unter den Nanopartikeln ist Zinn(IV)-Oxid (SnO₂ ) haben insbesondere aufgrund ihrer vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten wie optoelektronischen Geräten [9], Festkörper-Gassensoren [10], Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien [11], Feldemissionsdisplays [12], Leuchtdioden [13], Katalyse [14], Farbstoffsolarzellen [15], Medizin [16], Photosensoren und antistatische Beschichtungen [17].

In der Materialwissenschaft SnO₂ gilt als sauerstoffarmer n-Typ-Halbleiter, der als tetragonale Rutilstruktur mit Gitterkonstanten a . kristallisiert = b = 4,7374 Å und c = 3.1864 Å. Die Elementarzelle besteht aus zwei sechsfach koordinierten Zinn- und vier dreifach koordinierten Sauerstoffatomen [18, 19]. Eine große Energielücke (3,6 bis 3,8 eV), eine starke thermische Stabilität (bis zu 500 °C), eine hohe Transparenz im sichtbaren Spektrum, starke chemische und physikalische Wechselwirkungen mit den adsorbierten Spezies machen SnO₂ ein vielversprechender Kandidat für eine potenzielle Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien, Sensoren, Katalyse, Energiespeicherung, Glasbeschichtungen, Medizin und Umweltsanierung [20,21,22,23]. SnO₂ wird aufgrund seiner hohen spezifischen Fläche, der hohen chemischen Stabilität, des geringen elektrischen Widerstands und der geringen Dichte als Sensor zur Verbesserung der Ansprechzeit und Empfindlichkeit eingesetzt [24]. SnO₂ . aus den letzten Jahren wurde gründlich auf seine Anwendungen in Solarzellen [25] und Gassensoren zur Detektion von brennbaren Gasen wie CO, NO, NO₂ . untersucht , H₂ S und C₂ H₅ OH [26,27,28,29]. Aufgrund der einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen von Nanopartikeln (NPs) hat die wissenschaftliche Gemeinschaft mehrere Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln entwickelt. Die chemischen und physikalischen Methoden zur Synthese von Metall- und Metalloxid-Nanopartikeln sind jedoch recht teuer und verwenden giftige Substanzen, die für die Umwelt und die menschliche Gesundheit gefährlich sind [30]. In den letzten Jahren haben die meisten Forscher ihr Forschungsinteresse in Richtung der grünen Synthese von Nanopartikeln verlagert, da sie viele Vorteile wie kostengünstiges, einfaches Herstellungsverfahren, Reproduzierbarkeit in der Produktion bietet und oft zu stabileren Nanopartikeln führt [31]. In den letzten zehn Jahren wurden mehrere Studien zur grünen Synthese von SnO₂ . durchgeführt NPs wurden gemeldet. In der Literatur ist jedoch kein einzelner Übersichtsartikel verfügbar, der die Methodik der Synthese und den Bildungsmechanismus demonstriert. Daher beschreibt dieses Papier die grüne Synthese, den Bildungsmechanismus, Charakterisierungstechniken und potenzielle Anwendungen von SnO₂ NPs.

Grüne Synthese von Zinnoxid-Nanopartikeln

SnO₂ NPs werden durch verschiedene physikalische, chemische und grüne Methoden synthetisiert. Die chemischen Methoden umfassen Sol-Gel, Hydrothermal, Fällung, mechanochemische Methode, Mikroemulsion und so weiter [31,32,33,34,35,36,37]. Unter den chemischen Methoden ist die am weitesten verbreitete Technik die Sol-Gel-Synthese, bei der Zinnvorstufensalz und chemische Reagenzien verwendet werden, die die Bildung des zinnhaltigen Gels regulieren. Danach wird das Gel einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von bis zu 800 °C ausgesetzt, um SnO₂ . zu erhalten NPs [32, 38]. Bei der Synthese von SnO₂ . können chemische Stabilisatoren und Verkappungsmittel wie Oxalsäure oder Ethylenglykole zugesetzt werden NPs zur Kontrolle der Größe und zur Verhinderung der Agglomeration der Nanopartikel [32, 39]. Der pH-Wert der Lösung, die Konzentration der Chemikalien, die Reaktionszeit und die Kalzinierungstemperatur können auch die Größe und Morphologie von Nanopartikeln beeinflussen [31, 34, 35, 36, 37]. Die oben genannten Methoden zur Synthese von SnO₂ Nanopartikel verwenden verschiedene gefährliche chemische Reagenzien, Lösungsmittel und Tenside, die eine ernsthafte Bedrohung für die Umwelt und die menschliche Gesundheit darstellen [4, 30].

SnO₂ NPs können auch durch physikalische Techniken wie Sprühpyrolyse, thermische Oxidation, chemische Gasphasenabscheidung, Laserablation und Ultraschall synthetisiert werden [40,41,42,43,44]. Unter diesen Verfahren gilt die Laserablation als kostengünstige und einfache Methode zur Synthese von Metall- und Metalloxid-Nanopartikeln in Flüssigkeit [44, 45]. Im Gegensatz zu den anderen konventionellen Methoden erfordert diese Methode keine Verkappungs-/Reduktionsmittel, keine hohe Temperatur oder keinen hohen Druck und ermöglicht es uns, Nanopartikel von hoher Reinheit herzustellen [44, 45]. Die Variation der Parameter der vom Laserstrahl applizierten Pulse und die Ablationszeit sind wichtige Parameter, die die Partikelgröße, Morphologie und Oberflächenchemie der Nanopartikel bestimmen [44]. Die meisten physikalischen Methoden erfordern jedoch eine komplexe Ausrüstung, viel Energie und qualifiziertes Personal [46]. Daher ist es sehr wichtig, Synthesemethoden zu entwickeln, die umweltfreundlich, kostengünstig, effizient und unter Umgebungsbedingungen funktionieren. Eine solche Lösung ist eine grüne Synthese, und viele Forscher haben einen Ansatz der grünen Chemie zur Synthese von Zinnoxid-Nanopartikeln entwickelt. Bei der grünen Synthesestrategie könnten als Alternative zu den herkömmlichen physikalischen und chemischen Methoden biologische Einheiten wie Pflanzenextrakt, Mikroorganismen oder andere grüne Quellen verwendet werden [47]. Die biologisch inspirierten Synthesemethoden werden heute auch als Grüne Synthese bezeichnet, weil sie mit den zwölf Prinzipien der Grünen Chemie übereinstimmen [48]. Einige der deutlichen Vorteile, die die biologische Synthese gegenüber physikalischen und chemischen Methoden hat, sind (a) saubere und umweltfreundliche Methode, da ungiftige Chemikalien verwendet werden, (b) die Verwendung erneuerbarer Quellen, (c) die aktiven biologischen Komponenten wie das Enzym selbst als Phytochemikalien wirken als Reduktions- und Verkappungsmittel, wodurch die Gesamtkosten des Syntheseprozesses minimiert werden, (d) externe experimentelle Bedingungen wie hoher Druck und Temperatur sind nicht erforderlich, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt [49, 50].

In den letzten zehn Jahren stieg das Interesse an der Synthese von SnO₂ NPs über die biologische Methode hat deutlich zugenommen, weil das Verfahren zuverlässiger, umweltfreundlicher, kostengünstiger, geringer Input-hohe Ausbeute und einfache Verfahren ohne negative Auswirkungen auf die Umwelt ist. Eine Vielzahl biologischer Substrate wie Pflanzenextrakte, Bakterien und natürliche Biomoleküle wurden erfolgreich für die grüne Synthese von SnO₂ . eingesetzt NPs. Für die grüne Synthese sind in erster Linie die sekundären Pflanzenstoffe verschiedener Pflanzen und Enzyme aus Bakterien verantwortlich. Die in den grünen Quellen enthaltenen Wirkstoffe spielen auch während der Synthese als Reduktions-, Verkappungs- und Stabilisierungsmittel. Die gewünschten NPs werden oft nach Kalzinieren oder Glühen bei bestimmten Temperaturen erhalten [51,52,53,54].

Pflanzenvermittelte Synthese von Zinnoxid-Nanopartikeln

Die pflanzenvermittelte Synthese hat sich gegenüber herkömmlichen physikalisch-chemischen Methoden zur besten Syntheseplattform entwickelt, da sie frei von toxischen Chemikalien ist und sowohl natürliche Verkappungs- als auch Reduktionsmittel bereitstellt. Darüber hinaus ist es einfach und umweltfreundlich und ergibt ein mengenangereichertes Produkt, das frei von Verunreinigungen ist. Bei diesem Verfahren besteht keine Notwendigkeit, eine hohe Temperatur, keinen hohen Druck und keine teure Ausrüstung zu verwenden. Darüber hinaus führt die pflanzenvermittelte Synthese zur großtechnischen Produktion stabilerer Nanopartikel mit unterschiedlichen Formen und Größen [55, 56]. Für die grüne Synthese von SnO₂ . wurden Extrakte aus einer Vielzahl von Teilen verschiedener Pflanzenarten verwendet NPs. Im Allgemeinen ist die pflanzenvermittelte Synthese von SnO₂ NPs ist ein sehr einfacher Prozess, bei dem dem zuvor hergestellten Extrakt ein dünnes Salz zugesetzt wird. Nach der Reaktion wird die Lösung zentrifugiert. Schließlich werden die Pellets einer thermischen Behandlung unterzogen, gefolgt von einer Charakterisierung unter Verwendung verschiedener analytischer Techniken wie Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), Röntgendiffraktometer (XRD), energiedispersive Röntgenanalyse (EDS), Rasterelektronenmikroskopie ( SEM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Partikelgrößenanalysator (PSA) und dynamische Lichtstreuung (DLS). Die UV-Vis-Spektroskopie (UV-Vis) wird verwendet, um die Bildung von Nanopartikeln zu verfolgen. Das detaillierte Protokoll für die pflanzenvermittelte Synthese von SnO₂ NPs ist in Abb. 1 schematisch dargestellt. Diallo et al. berichtete über die grüne Synthese von SnO₂ NPs mit Aspalathus linearis und Zinnchlorid-Pentahydrat (SnCl₄ ·5H₂ O) als Vorstufe [51]. Das Salz wurde im Pflanzenextrakt gelöst und nach 10 Minuten wurde die Bildung einer weißen Ablagerung beobachtet. Der weiße Niederschlag wurde nach dem Zentrifugieren gesammelt und bei etwa 80 °C getrocknet. Das Pulver wurde etwa 4 h lang bei verschiedenen Temperaturen getempert und verschiedenen Analysetechniken wie hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM), EDS, XRD und Röntgenphotoemissionsspektroskopie (XPS) unterzogen. Die NPs hatten eine quasisphärische Form mit einer durchschnittlichen Größe im Bereich von 2,5–11,40 nm. Es wurde beobachtet, dass die Partikelgröße und die kristalline Natur der NPs mit steigender Glühtemperatur zunehmen. Darüber hinaus wirken die im Pflanzenextrakt enthaltenen bioaktiven Komponenten wie Aspalathin, Nothofagin und Aspalalinin sowohl als Chelatbildner als auch als Reduktionsmittel. Camellia sinensis Blattextrakt wurde auch verwendet, um SnO₂ . zu synthetisieren NPs [53]. Die im Blattextrakt enthaltenen Polyphenole wirken sowohl stabilisierend als auch verschließend. Hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie (HR-SEM) und XRD-Analyse ergaben eine sphärische Form von SnO₂ NPs mit einer Größe im Bereich von 5–30 nm. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Bandlücke der NPs mit steigender Annealing-Temperatur abnimmt. Das Catunaregam spinosa -vermitteltes grün synthetisiertes SnO₂ Nanopartikel zeigten eine ausgezeichnete photokatalytische Aktivität gegenüber dem Kongorotfarbstoff [57]. Die biosynthetisierten NPs sind kugelförmig und haben eine durchschnittliche Größe von 47 nm.

Ein schematisches Diagramm der durch Pflanzenextrakte vermittelten Synthese von SnO₂ NPs

Der Blattextrakt von Aloe barbadensis miller wurde verwendet, um SnO₂ . zu synthetisieren NPs aus SnCl₂ ·2H₂ O als Vorstufe [58]. Die resultierenden NPs erwiesen sich als kugelförmig mit einer durchschnittlichen Größe von 50 bis 100 nm. Darüber hinaus zeigten die synthetisierten Nanopartikel eine ausgezeichnete antibakterielle Aktivität gegen S. aureus und E. coli.

In einer anderen Studie wurde die grüne Synthese von SnO₂ NPs wurden mit einer effizienten und kostengünstigen Methode unter Verwendung von Plectranthus amboinicus . durchgeführt Blattextrakt und SnCl₂ ·2H₂ O als Ausgangsmaterial [59]. Der Pflanzenextrakt wirkt reduzierend und stabilisierend. Die resultierenden NPs wurden durch SEM, EDX, XRD und PSA charakterisiert. Die NPs hatten eine tetragonale Form mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 63 nm. Darüber hinaus zeigten die Autoren, dass die biosynthetisierten NP eine größere photokatalytische Aktivität gegenüber Rhodamin B aufweisen als das kommerzielle SnO₂ . . Grüne Synthese von SnO₂ NPs wurden mit Nyctanthes arbor-tristis . verwendet (Parijataka) Blütenextrakt [60]. Wie aus der REM- und PSA-Analyse hervorgeht, zeigten die synthetisierten Nanopartikel die Morphologie feiner Körnchen mit einem winzigen Agglomerationsstadium und einer durchschnittlichen Korngröße von 2–8 nm. Die Studie untersuchte auch das Hydrolyse- und Capping-Potenzial des Pflanzenextrakts.

Die grüne Synthese von SnO₂ NPs wurden in einem kostengünstigen und umweltfreundlichen Verfahren mit Psidium guajava . durchgeführt Blattextrakt [61]. Das UV-Vis-Ergebnis zeigte einen Oberflächenplasmonenresonanzpeak bei 314 nm, was die Bildung von SnO₂ . bestätigt NPs. Darüber hinaus waren die NPs kugelförmig mit einer Größe von 8 bis 10 nm. Die Studie zeigte auch, dass die NPs unter Sonnenlichteinstrahlung innerhalb von 180 Minuten einen Abbau von 90 % des reaktiven Gelbs 186 aufweisen. Bhosaleet al. [62] identifizierten den Blattextrakt von Calotropis gigantea als natürliche Quelle für die Synthese von SnO₂ NPs. Die sekundären Metaboliten des Extrakts wirken sowohl stabilisierend als auch verschließend bei der Umwandlung von Zinnchlorid in SnO₂ NPs. Die Autoren schlugen vor, dass die NPs kugelförmig sind und eine durchschnittliche Größe zwischen 30 und 40 nm haben. Die synthetisierten NPs bauen den Methylorange-Farbstoff innerhalb von 120 Minuten bis zu 80 % ab. Singh et al. [63] berichteten über die Biosynthese von SnO₂ NPs mit Piper Betle Blattextrakt. SEM- und TEM-Analysen ergaben die Bildung kugelförmiger NPs mit einer durchschnittlichen Größe von 8,4 nm. Die NPs bauen das reaktive Gelb 186 in pseudoerster Ordnung mit einer Effizienz von 92,17 % ab. Darüber hinaus zeigten die NPs eine ausgezeichnete Selektivität bei der Entfernung von reaktivem Gelb 186 im Vergleich zu reaktivem Rot 120 und reaktivem Grün 119. In der Literatur wurden verschiedene Pflanzen und Pflanzenextrakte für die Herstellung von SnO₂ . verwendet (Tabelle 1). Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die Natur der Pflanzenart und die Reaktionsbedingungen die Größe und Form von SnO₂ . beeinflussen NPs.

Bakterienvermittelte Synthese von Zinnoxid-Nanopartikeln

Mikroben sind wichtige Nanofabriken, die als umweltfreundliche und kostengünstige Werkzeuge ein immenses Potenzial haben, indem sie giftige Chemikalien und den hohen Energiebedarf bei der physikalisch-chemischen Synthese vermeiden. Verschiedene Mikroben wie Bakterien, Pilze und Hefen wurden für die intrazelluläre oder extrazelluläre Synthese von Metall- und Metalloxid-Nanopartikeln verwendet. Die intrazelluläre Synthese beinhaltet den Transport der Metallionen in die mikrobielle Zelle und die Bildung der NPs in Gegenwart des Enzyms, der Coenzyme und anderer Biomoleküle innerhalb der Zelle. Bei der extrazellulären Synthese werden die Metallionen auf der Oberfläche der mikrobiellen Zelle gefangen. Die an der Oberfläche verfügbaren Enzyme und Proteine ​​reduzieren die Metallionen und sind für die Stabilisierung der NPs verantwortlich [73]. Die extrazelluläre Synthese ist jedoch im Vergleich zum intrazellulären Weg vorteilhafter, da sie zur Herstellung großer Mengen von NPs verwendet werden kann und verschiedene Syntheseschritte, die für die Gewinnung von NPs erforderlich sind, überflüssig macht [74].

Die biologische Synthese unter Verwendung von Bakterien ist im Vergleich zur chemischen Synthese ein umweltfreundlicher und kostengünstiger Ansatz. Dieses Verfahren hat jedoch mehrere Nachteile:(a) das Screening der Mikroben ist ein zeitaufwendiger Prozess, (b) erfordert eine sorgfältige Überwachung der Kulturbrühe und des gesamten Prozesses und (c) ist schwierig, die Größe und Morphologie der . zu kontrollieren die NPs. Nicht alle Bakterien können aufgrund ihres intrinsischen Stoffwechselprozesses und ihrer Enzymaktivitäten NPs synthetisieren. Daher ist eine sorgfältige Auswahl eines geeigneten Bakteriums erforderlich, um NPs mit wohldefinierter Größe und Morphologie herzustellen [74]. Beispielsweise berichtete eine von Srivastava und Mukhopadhyay [54] durchgeführte Studie über ein kostengünstiges, umweltfreundliches und einfachstes Verfahren zur Synthese von SnO₂ . NPs mit frischen und sauberen Erwinia herbicola Bakterienzellen und einer wässrigen Zinn(II)chlorid-Lösung. Das synthetisierte SnO₂ NPs waren meist kugelförmig und hatten eine Größe im Bereich von 10 bis 42 nm. Es wurde berichtet, dass das bakterielle Protein und andere Biomoleküle während der Synthese von SnO₂ . als reduzierendes und stabilisierendes Mittel dienen NPs. Diese Biomoleküle halfen auch bei der Kontrolle der Größe und Aggregation von SnO₂ NPs.

Biomoleküle und andere durch grüne Quellen vermittelte Synthesen von Zinnoxid-Nanopartikeln

Neben der pflanzen- und bakteriell vermittelten Synthese von SnO₂ NPs haben Forscher einen ungiftigen, umweltfreundlichen und grünen Chemieansatz entwickelt, indem sie andere Biomoleküle wie Aminosäuren, Vitamine, Enzyme und Zucker verwenden (Tabelle 2). Yanget al. [75] synthetisiertes SnO₂ NPs mit einer kostengünstigen und umweltfreundlichen Methode unter Verwendung von Vitamin C (Ascorbinsäure), einem natürlich verfügbaren Biomolekül. Die TEM-Analyse zeigte die Bildung kugelförmiger NPs mit einer durchschnittlichen Größe von etwa 30 nm. Vitamin C wirkt während der Synthese sowohl als Verschluss- als auch als Reduktionsmittel. Die Studie deutete darauf hin, dass Vitamin C auf der Oberfläche von SnO₂ . eingeschlossen ist NPs verringerten den durch SnO₂ . verursachten oxidativen Stress NPs auf den Zellen, was zu einem geringeren Gewichtsverlust bei neugeborenen Mäusen führt. Sphärisches SnO₂ NPs mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 13 nm wurden unter Verwendung von Kohlenhydrat (Stärke) hergestellt [76]. Es wurde vermutet, dass das Kohlenhydrat als Templat fungiert, das mehrere Metallkationen über ihre funktionellen Gruppen binden kann, und daher wurde eine gleichmäßige Verteilung der Kationen beobachtet. In einer anderen Studie wurde Restwasser aus eingeweichten bengalischen Grammbohnen (Cicer arietnum L.) wurde zur Synthese von undotiertem SnO₂ . verwendet , und Ni, Fe und Au-dotiertes SnO₂ NPs [77,78,79]. Die Autoren vermuten, dass das Pektin im Extrakt für die Synthese des SnO₂ . verantwortlich ist NPs. Die durchschnittliche Kristallitgröße des kugelförmigen undotierten SnO₂ , Ni-dotiertes SnO₂ , und Au-dotiertes SnO₂ NPs wurden mit 11 nm, 6 nm bzw. 25 nm ermittelt.

Eine andere Studie hat einen grünen Ansatz zur Synthese von SnO₂ . gezeigt NPs mit einer Eierschalenmembran (ESM) [80], einem natürlichen Bioabfall aus der Hühnereierschale. Es wurde vorgeschlagen, dass die ESM-Bestandteile Biomoleküle wie Uronsäure und Saccharide enthalten, die Aldehyd-Einheiten enthalten, die während der Synthese als Reduktionsmittel wirken. Die morphologische Analyse zeigte die Bildung von Stäbchen-, Sechseck- und Kugelform von SnO₂ Nanopartikel mit einer Partikelgröße im Bereich von 13–40 nm.

Verschiedene Aminosäuren wie Glycin, Arginin, Asparaginsäure, Lysin und Tyrosin [81.82.83.84.85] wurden für die grüne Synthese von SnO₂ . verwendet NPs aufgrund ihrer guten Capping- oder Komplexbildner. Die Aminosäure-vermittelte Synthese eliminiert die Verwendung giftiger Chemikalien während der Synthese. Sphärisches SnO₂ NPs wurden mit Arginin synthetisiert [81]. Die morphologischen Studien legen nahe, dass das synthetisierte SnO₂ NPs waren kugelförmig mit einer durchschnittlichen Größe im Bereich von 4–5 nm. Bhattacharjeeet al. [83] nutzte Glycin zur Herstellung von SnO₂ NPs aus Zinn(II)chlorid. Es wurde vermutet, dass die bei 200 °C, 400 °C und 600 °C gebildeten NP kugelförmig, polykristallin und monodispers mit einer durchschnittlichen Größe von 6, 16 bzw. 33 nm sind. Außerdem war das bei 400 °C erhaltene Nanopartikel lumineszierend. In ähnlicher Weise haben Begum et al. [84] demonstrierten die Synthese der tetragonalen Rutilstruktur SnO₂ NPs mit L-Lysin mit einer Größe im Bereich von 4–17 nm.

Mechanismus der Bildung von Zinnoxid-Nanopartikeln durch grüne Synthese

In den letzten Jahren wurden verschiedene Pflanzenextrakte, Mikroorganismen und andere biologische Derivate in der grünen Synthese von Metall- und Metalloxid-NPs verwendet. Studien legen nahe, dass die im Pflanzenextrakt enthaltenen Sekundärmetaboliten wie Phenole, Flavonoide, Tannine, Saponine, Terpenoide und Kohlenhydrate eine bedeutende Rolle spielen, indem sie sowohl als Reduktions- als auch als Stabilisierungsmittel bei der Synthese von Metall- oder Metalloxid-NPs wirken [87]. Darüber hinaus kann die durch Mikroben vermittelte Synthese entweder intrazellulär oder extrazellulär erreicht werden, je nachdem, wo die NPs gebildet werden. Bei der extrazellulären Synthese erfolgt die Bioreduktion auf der Oberfläche der mikrobiellen Zellen in Gegenwart der an der Oberfläche verfügbaren Enzyme. Darüber hinaus werden bei der intrazellulären Biosynthese Metallionen in die mikrobielle Zelle transportiert, und die NPs bilden sich dort in Gegenwart von Enzymen im Zellinneren leicht [73]. Selvakumariet al. [53] nutzte Camellia sinensis Extrakt für die Biosynthese von SnO₂ NPs. Sie zeigten in ihren Studien, dass die im Extrakt enthaltenen polyphenolischen Verbindungen (Epicatechin, Epigallocatechin, Epicatechingallat und Epigallocatechingallat) sowohl als Abdeck- als auch als Stabilisierungsmittel wirken. Das SnO₂ NPs, die durch diese Methode gebildet werden, bestehen aus einigen Hauptschritten, einschließlich (i) Reduktion von Sn ²⁺ zu Sn ⁰ , (ii) die reduzierende Wirkung von phenolischen Verbindungen (–OH) des Extrakts, um Sn-Spezies zu bilden, und (iii) thermische Umwandlung der Sn-Spezies in das SnO₂ NPs. Im SnO₂ NPs synthetisiert mit Calotropis gigantean Blattextrakt sind polyphenolische Verbindungen für die biochemische Umwandlung von Zinnionen verantwortlich [62]. Sphärisches SnO₂ NPs mit einer Größe im Bereich von 3,62–6,34 nm wurden mit Blumenkohlextrakt synthetisiert [52]. Es wurde vermutet, dass die Polyphenole und Flavonoide des Extrakts mit den Metallionen koordinieren, was zur Bildung von Sn(OH)₂ . führt Zwischenprodukte, die bei der Kalzinierung zur Bildung von SnO₂ . führen NPs. In einer anderen Studie berichteten Srivastava und Mukhopadhyay [54] sowohl über die intrazelluläre als auch die extrazelluläre Synthese von kugelförmigem SnO₂ . NPs durch die vom Bakterium E sezernierten Enzyme. Herbicola . Bei dieser Methode wird der Sn ²⁺ Ionen werden durch die von der Bakterienzelle sezernierten extrazellulären Enzyme oder durch membranassoziierte Proteine ​​auf der Zelloberfläche eingefangen, und die Reduktion wurde durch Dehydrogenase-Enzyme initiiert. Die Sn ²⁺ Ionen werden durch Aufnahme von zwei Elektronen reduziert und ein Molekül NAD ⁺ wird zu NADH oxidiert, was schließlich zur Produktion extrazellulärer Sn-NPs führt. Die biosynthetisierten Sn-Nanopartikel werden dann durch den in der Lösung vorhandenen Sauerstoff oxidiert, was zur Bildung von SnO₂ . führt NPs. Die FTIR-Analyse ergab das Vorhandensein proteinähnlicher Moleküle auf der Oberfläche, die eine natürliche Unterstützung und Stabilität des SnO₂ . bieten NPs. Darüber hinaus spielen Aminosäuren als Verkappungs- oder Komplexbildner, wodurch der Einsatz giftiger Chemikalien während der Synthese minimiert wird. Der mögliche Mechanismus für die grüne Synthese von SnO₂ NPs ist in Abb. 2 dargestellt:

Schematische Darstellung des möglichen Mechanismus der biologisch vermittelten Synthese von Metalloxid (SnO₂ ) NPs

Charakterisierung von Zinnoxid-Nanopartikeln

Die Charakterisierung von NPs ist sehr wichtig, um das Syntheseverfahren und die Anwendung zu kennen und zu kontrollieren. Die Oberflächenmorphologie und Konformationsdetails über Größe, Form, Kristallinität und Oberfläche der synthetisierten NP werden mit verschiedenen Techniken untersucht. Einige der Techniken zur Charakterisierung von grün synthetisiertem SnO₂ NPs sind UV-Vis, FTIR, XRD, EDS, SEM und TEM. Die UV-Vis-Spektroskopie wird verwendet, um die Bildung von Nanopartikeln durch Untersuchung ihrer optischen Eigenschaften zu verfolgen. UV-Vis-Spektren des SnO₂ NPs synthetisiert mit Catunaregam spinosa Extrakt wies aufgrund seiner Oberflächen-Plasmonenresonanz den höchsten Absorptionspeak von 223 nm auf [57]. XRD ist eine leistungsstarke Technik zur Untersuchung der Kristallstruktur von Materialien. Bhattacharjeeet al. [81] charakterisierte SnO₂ NPs mit XRD-Peaks bei Beugungswinkeln (2θ ) von 26,7, 34,2, 38,07, 51,9, 54,9, 58,1, 62,1, 64,9, 66,08, 71,6 und 79,07 entsprechend (110), (101), (200), (211), (220), (002), (310), (112), (301), (202) bzw. (321) Ebenen (Fig. 3). Die Standardbeugungspeaks zeigen die tetragonale Rutilstruktur von SnO₂ NPs mit einer durchschnittlichen Kristallitgröße von 4,6 nm, berechnet mit der Debye-Scherer-Gleichung [81].

XRD-Muster von SnO₂ NPs synthetisiert mit Arginin unter Mikrowellenbestrahlung [81]

Die FTIR-Spektroskopie wird verwendet, um die Oberflächenchemie zu untersuchen und die auf der Oberfläche der NPs vorhandenen funktionellen Gruppen zu identifizieren, die für die Reduktion, Verkappung und Stabilisierung von NPs verantwortlich sein könnten [88]. FTIR-Analyse von SnO₂ NPs synthetisiert mit Pruni flos Extrakt zeigte Hauptabsorptionsbanden bei 3308, 2153, 1634, 423, 403 und 383 cm ⁻¹ . Die starken Banden bei 3308, 2153 und 1634 cm ⁻¹ wurden Streckschwingungen von Sn-OH-Gruppen aufgrund von an SnO₂ . adsorbierten Wassermolekülen zugeordnet Oberfläche, C‐H‐Streckung von Alkinen bzw. C=O‐Schwingungen von Flavonoiden. Die Bänder zwischen 423 und 383 cm ⁻¹ werden einer antisymmetrischen Sn-O-Sn-Streckung zugeschrieben [70]. Mikroskopiebasierte Techniken wie SEM und TEM wurden weithin eingesetzt, um die morphologischen Eigenschaften der Nanopartikel zu bestimmen. TEM liefert jedoch im Vergleich zu SEM eine bessere Auflösung und Informationen über die innere Struktur, wie Kristallstruktur und Morphologie. Die genaueren Ergebnisse der Oberflächeneigenschaften können mit dem FE-REM gewonnen werden. Diese Techniken sind auch nützlich, um die durchschnittliche Größe der synthetisierten Nanopartikel abzuschätzen [89]. FE-REM- und TEM-Analyse ergab die Bildung von leicht agglomeriertem kugelförmigem SnO₂ NPs mit einer durchschnittlichen Größe von 30–40 nm (Abb. 4) [62].

a TEM-Bilder von biosynthetisiertem SnO₂ NPs; b HR-TEM-Bilder von SnO₂ NPs; c FE-REM-Bilder von SnO₂ NPs und d SAED-Muster von SnO₂ NPs

Darüber hinaus zeigte eine selektive Flächenelektronenbeugung (SAED)-Analyse, dass die Partikel nanokristalliner Natur sind (Abb. 4) [62]. Die Bildung der Kugelform SnO₂ NPs synthetisiert mit Piper Betle wässriger Extrakt wurde mittels FE-REM ermittelt [63]. Aus der TEM- und XRD-Analyse ergab sich eine durchschnittliche Größe der NPs von 8,4 nm.

EDS ist eine Analysetechnik zur Analyse der elementaren Zusammensetzung einer Probe. Die EDS-Spektren von SnO₂ NPs synthetisiert mit Psidium Guajava Blattextrakt zeigte das Vorhandensein von Sn- und O-Peaks, was die Bildung von reinem SnO₂ . bestätigt NPs [61].

Biologische Anwendung grüner synthetischer Zinnoxid-Nanopartikel

Grün synthetisiertes SnO₂ NPs zeigten eine verbesserte photokatalytische, antimikrobielle, antioxidative und krebsbekämpfende Aktivität im Vergleich zu ihrer Massenform. In diesem Abschnitt haben wir die Anwendungen von grün synthetisiertem SnO₂ . diskutiert NPs in verschiedenen Bereichen als Orientierungshilfe für neue Forscher für zukünftige Perspektiven.

Antimikrobielle Aktivität

Viele Forscher haben die antimikrobielle Aktivität SnO₂ . beobachtet NPs. Zum Beispiel die antibakterielle Aktivität von SnO₂ NPs synthetisiert mit Aloe Vera Pflanzenextrakt wurde mit E. coli und S. aureus . Es wurde vermutet, dass die NPs aktiver gegen S waren. aureus als E. coli [58]. Dies kann daran liegen, dass die Zellwand von E. coli ist komplexer als S. aureus . S. aureus hat eine Membran aus dickem Peptidoglykan. Die Zellwand von E. coli hat eine Peptidoglycan-Schicht plus eine äußere Membran, die aus Lipopolysaccharid besteht. The outer membrane of E. coli acts as a barrier that lowers the penetration level of ROS into the cell [90,91,92]. Another reason could be the difference in the polarity of their cell membrane. The membrane of S aureus has a more positive charge than E. coli , which result in greater penetration level of negatively charged free radicals causing more cell damage and death in S. aureus than in E. coli [93, 94]. The antibacterial activity of SnO₂ NPs synthesized using Punica granatum seed extract has been tested against E. coli. The bactericidal effect increased with increasing the concentration of the nanoparticles [95]. SnO₂ NPs synthesized using Trigonella foenum-graecum seed extract also showed similar antibacterial activity against E. coli [72]. In a recent study, Clerodendrum inerme leave extract was used for the synthesis of un-doped and Co-doped SnO₂ NPs [96]. The green synthesized un-doped and Co-doped SnO₂ NPs were subjected toward antimicrobial activity against five disease-causing pathogens such as E. coli , B. subtillis , A. niger , A. flavus , and C. Albicans, , and their zone of inhibition diameters (ZOIs), minimum inhibitory concentration (MIC), and minimum bactericidal concentration (MBC) were calculated. The Co-doped SnO₂ NPs showed substantial antibacterial activity against E. coli and B. subtillis in a concentration-dependent manner compared to the un-doped SnO₂ NPs, plant extract, and standard drugs in terms of their MIC (22 ± 0.7, 18 ± 0.8 mg/mL) and MBC (31 ± 0.9, 21 ± 0.6 mg/mL) as well as ZOIs (30 ± 0.08, 26 ± 0.06 nm), respectively. The authors suggested that the broad-spectrum antibacterial activity of Co-doped SnO₂ NPs is due to cobalt doping, which leads to increased grain size and surface area of the NPs as compared to un-doped SnO₂ NPs. As more is the surface area with smaller particle sizes, the greater will be the antimicrobial activity. The associations of biomolecules like flavonoids and phenolic compounds with Co-doped SnO₂ NPs are also responsible for the enhancement of their antimicrobial activity. Furthermore, the green synthesized Co-doped SnO₂ NPs showed extraordinary antifungal activity with maximum ZOIs of 17 ± 0.04, 23 ± 0.08, and 26 ± 0.06 nm against A. niger , A. flavus, and C. Albicans, respectively, in comparison with plant extract, un-doped SnO₂ NPs, and standard drugs [96].

The actual mechanism of action of SnO₂ NPs against microbial strains is still unknown. However, several mechanisms of action against bacteria have been suggested for metal oxide nanoparticles, such as the decomposition of nanoparticles, electrostatic interaction of nanoparticles with the cell wall of microorganisms, and formation of reactive oxygen species (ROS) by the effect of light radiation [97,98,99]. One possible cause for the antibacterial effect of SnO₂ NPs may be the accumulation of the NPs on the surface of the bacterial cell membrane. The ROS generated due to the presence of SnO₂ NPs interacts with the cell membrane and disturbs the membrane permeability and respiration system of the bacteria, which leads to cell death [72, 95, 100]. For instance, Khan et al. suggested that the release of Sn ⁴⁺ und Co ²⁺ is responsible for the damage of bacterial DNA and mitochondria, which inactivates the bacterial enzyme and finally leads to cell death [96].

Antioxidant Activity

Many researchers examined the antioxidant activity of NPs by monitoring the ability in quenching of stable DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) radical into non-radical form (DPPH-H). Kamaraj et al. [101] reported the antioxidant activity of SnO₂ NPs biosynthesized using Cleistanthus Collinus leaves extract. The antioxidant activity of SnO₂ NPs increased with increasing concentration of SnO₂ NPs and reaction time. In another study [95], the free radical scavenging activity of green synthesized SnO₂ NPs increased in a dose-dependent manner. However, the annealed sample exhibited a lower scavenging activity as compared to the as-prepared sample. The decrease in scavenging activity with increasing annealing temperature may be due to a decrease in surface area-to-volume ratio of the NPs. Moreover, the antioxidant efficacy of SnO₂ NPs against DPPH is due to the transfer of electron density between the NPs and the free radical located at nitrogen in DPPH. A similar result was found for SnO₂ NPs synthesized using Trigonelle foenum-graecum aqueous extract [72]. Hong et al. [67] reported significant antioxidant properties of biosynthesized SnO₂ NPs. The antioxidant activity of the biosynthesized SnO₂ increased with increasing concentration of the NPs, with IC₅₀ (half-maximal inhibitory concentration) value of 2257.4 µg/ml. Recently, Khan et al. reported significant antioxidant activity of Co-doped SnO₂ NPs, as compared to un-doped SnO₂ NPs and plant extract [96].

Cytotoxic Activity

SnO₂ NPs synthesized using an aqueous extract of agricultural waste of dried peel of Annona squamosa were evaluated for cytotoxicity test against the hepatocellular carcinoma cell line (HepG2) [64]. TEM results revealed the loss of cell volume, considerable swelling of the cells, and nuclear condensation. The nuclear condensation seen in SnO₂ NP-treated HepG2 cells might be due to the breakdown of chromatin in the nucleus. SnO₂ NPs inhibited cell proliferation in a dose- and time-dependent manner with an IC₅₀ value of 148 µg/mL. SnO₂ NPs synthesized using piper nigrum seed extract exhibited higher cytotoxic activity against colorectal (HCT116) and lung (A549) cancer cell lines [69]. The proliferation of both cancer cell lines increased with increasing NPs size. Besides, a gradual decline in cell viability was observed with increasing dosage of SnO₂ NPs. The authors concluded that the cytotoxic effect was associated with the generation of oxidative stress from reactive oxygen species (ROS). SnO₂ NPs fabricated by using Pruni spinosae flos aqueous extract revealed an excellent cytotoxic effect against non-small cell lung cancer cell A549 and lung fibroblast CCD-39Lu cells, in concentration- and time-dependent manner [70]. Recently, Khan et al. [96] investigated the in vitro cytotoxic effect of green synthesized un-doped SnO₂ NPs and Co-doped SnO₂ NPs against mammary gland breast cancer (MCF-7), human amnion (WISH), and human lung fibroblast (WI38) cell lines by a colourimetric technique 3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5-diphenyl tetrazdium bromide (MTT) assay. The green synthesized Co-doped SnO₂ NPs showed significant and substantial mortality rate compared to un-doped SnO₂ NPs, plant extract, and standard drug 5-FU (5-5-5-fluorouracil), while un-doped SnO₂ NPs exhibited a similar mortality rate to that of the standard drug, but the lowest cytotoxicity against breast cancer cell line was observed with the plant extract. The cytotoxic effect of the plant extract, green synthesized un-doped SnO₂ , and Co-doped SnO₂ NPs was performed with IC₅₀ values of 31.56 ± 1.4, 26.99 ± 1.9, and 18.15 ± 1.0 µg/mL for MCF-7, and 40.69 ± 0.9, 38.97 ± 0.8, and 36.80 ± 0.6 µg/mL for WI38, and 38.56 ± 0.8, 35.56 ± 0.9, and 31.10 ± 0.7 µg/mL, respectively, and depicted that the cytotoxicity of Co-doped SnO₂ NPs was more proficient as compared to plant extract and un-doped SnO₂ NPs alone. Additionally, the authors reported excellent observational results showing greater in vitro inhibition of breast cancer MCF-7 cell lines in a concentration- and dose-dependent manner. The green synthesized NPs also showed robust cytotoxicity against MCF-7 as compared to WI38 and WISH normal cell lines with Co-doped SnO₂ NPs unveiling higher ROS generation than the un-doped SnO₂ NPs. Figure 5 shows the probable cytotoxicity mechanism of green synthesized SnO₂ NPs.

Mechanism during cytotoxicity of green synthesized SnO₂ NPs

Photocatalytic Activity

The uncontrolled release of toxic chemicals, hazardous textile dyes, and pesticides from various industries into the running water has led to severe environmental problems. These superfluous water contaminants cause long-term adverse effects and pose a real threat to aquatic and human life. Besides, some organic dyes are carcinogenic and toxic. Hence, treating water that contains poisonous chemicals before disposal to the environment is very crucial to reduce environmental pollution. Recent studies have shown that nanostructured semiconductor metal oxides act as an excellent photocatalyst for the removal of various water pollutants [102,103,104,105]. Among the semiconductor metal oxides, SnO₂ is extensively used in the removal of common textile dyes and organic compounds owing to its beneficial characteristics, which include physical and chemical stability, high surface reactivity, high photocatalytic efficiency, low cost, and low toxicity [68, 106]. Manjula et al. [107] synthesized SnO₂ nanoparticles using glucose. The NPs were effectively used as a catalyst in degrading methyl orange (MO) dye. The effect of calcination temperature (150–500 °C) on the photocatalytic activity of the NPs was investigated, and the results revealed that the as-synthesized SnO₂ NPs calcinated at 150 °C is the best photocatalyst for the reaction under study among the studied materials. Moreover, the as-prepared SnO₂ nanoparticles degraded methyl orange completely in 30 min, and also, the nanomaterials may be recycled with enhanced efficiency a minimum of five times. In another study [108], the photocatalytic activity of the SnO₂ QDs (quantum dots) synthesized by using serine was evaluated by monitoring the optical absorption spectra of eosin Y solution under direct sunlight. It was observed that the rate of degradation of eosin Y using SnO₂ QDs (98%) is higher than that using commercial SnO₂ (96%) and P25 (88%). Begum et al. [84] reported the synthesis of SnO₂ NPs using an amino acid, L-lysine monohydrate. The synthesized nanoparticles were evaluated for their photocatalytic behavior toward toxic organic dyes, namely malachite green oxalate (MGO) and Victoria blue B (VBB) under direct sunlight. The absorption peak of these dyes has begun to reduce, which shows that the chromophore structure has been demolished (Fig. 6). Furthermore, the as-prepared SnO₂ NPs exhibited an outstanding photocatalytic degradation of MGO (97.3%) and VBB (98%) dye within 120 min. Literature reports on the photocatalytic activity of green synthesized SnO₂ NPs are summarized in Table 3.

Photocatalytic degradation of malachite green oxalate dye under solar irradiation using SnO₂ NPs

Gas-Sensing Property

Many metal oxide-based gas sensors are widely used for gas-sensing applications. However, SnO₂ NPs has gained tremendous attention in gas sensing under atmospheric conditions because of its beneficial properties, which include high sensitivity, high selectivity, easy reversibility, and cheap manufacturing costs. Green synthesized porous SnO₂ nanospheres demonstrated excellent gas sensing capabilities [107]. It was observed that the assimilation of 0.5 wt% Pd into the SnO₂ matrix improved the sensitivity and made it highly selective for low-temperature hydrogen detection. Moreover, the fabric was able to respond to even 50 ppm H₂ in N₂ at room temperature with an interval of 10 s. These sensing properties are due to the synergetic effect of both the porous structure of SnO₂ nanospheres and also the catalytic property of Pd nanoparticles. Gattu et al. [77] reported the gas-sensing behavior of biosynthesized and chemically synthesized Ni-doped SnO₂ NPs thin films. The biosynthesized Ni-doped SnO₂ NPs thin film showed higher NO₂ gas-sensing response as compared to the chemically synthesized ones. The sensor response was found to be increased with Ni doping for both biosynthesized and chemically synthesized Ni-doped SnO₂ NPs. This may be due to the reduction of particle size with Ni-doping, which results in increased surface area for adsorption of NO₂ Gas. Furthermore, the Ni-doped SnO₂ thin film exhibited excellent selectivity toward NO₂ gas when put next to other gases like NH₃ , LPG and H₂ S. In another study [78], the gas-sensing properties of un-doped and Fe-doped SnO₂ NPs synthesized using Cicer arietnum L. extract were reported. The gas response within the presence of 100 ppm NH₃ gas at 200 °C operating temperature was found to be 28% for un-doped SnO₂ and 46% for Fe-doped SnO₂ dünne Filme. Moreover, the Fe-doped SnO₂ -based sensor was found to be more selective for NH₃ gas as compared to the un-doped SnO₂ sensor. The biosynthesized Au-doped SnO₂ NPs were found to be highly sensitive to NO₂ gas at 200 °C operating temperature [79]. Gas sensor supported Au-doped SnO₂ NPs showed the gas response of ~ 30% for 100 ppm of NO₂ Gas. Additionally, the gas sensor of Au-doped SnO₂ NPs showed excellent selectivity toward NO₂ gas when put next to other gases like H₂ S, LPG, and NH₃ . The improved gas response and selectivity toward NO₂ gas are because of the lattice distortion induced by Au-doping and also the oxygen vacancies generation within the SnO₂ lattice.

Schlussfolgerungen

The use of green methods for the production of NPs has been the area of focused research because it is an eco-friendly, inexpensive, nontoxic, and sustainable method. Numerous studies report the possibility of producing SnO₂ NPs via a green protocol using a range of plant materials, bacteria, and natural biomolecules. The literature survey shows that the green substrates act as reducing and stabilizing agents or capping agents regardless of their source. Among the various green methods of SnO₂ synthesis, plant-mediated synthesis is cost-effective, easy to process, and less hazardous than microorganisms. However, the plant extracts consist of a large number of active compounds in a different composition, which makes it difficult to know the exact amount of the molecules responsible for the reduction of metal ions. Due to this complexity, it is difficult to evaluate the synthesis of nanoparticles. Therefore, further study on the mechanism of formation of SnO₂ NPs is required to understand the chemical reactions that occur during the synthesis. With the knowledge of the actual reaction mechanism, it will be possible to monitor and optimize the biosynthesis process, which is essential for the large-scale production of SnO₂ NPs. Hence, understanding of the rapidly growing method of synthesis discussed herein will help facilitate future research progress on SnO₂ NPs and their enormous potential for industrial-scale production in the near future.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Not available.

Abkürzungen

NPs:

Nanopartikel

SnO₂ NPs:

Tin oxide nanoparticles

UV-Vis:

Ultraviolet-visible spectroscopy

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

FE-REM:

Field emission scanning electron microscopy

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

HR-TEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

EDS:

Energiedispersive Röntgenanalyse

PSA:

Particle size analyzer

XPS:

X-ray photoemission spectroscopy

SAED:

Selective area electron diffraction