通过绿色化学途径合成BaZrPbO纳米复合材料，用于伽马射线屏蔽应用

《Radiation Physics and Chemistry》：Synthesis of BaZrPbO nanocomposites via green-mediated route for gamma shielding applications

纳米复合材料合成与γ射线屏蔽性能研究。采用Aloe vera凝胶作为还原剂，通过溶液燃烧法制备BaO/ZrO2/PbO纳米复合材料，经XRD、SEM、EDAX等表征确认其结构，并在600℃煅烧3小时，结果显示其γ射线屏蔽性能良好，质量衰减系数为0.143 cm2/g。

　　本研究聚焦于一种新型的BaO/ZrO?/PbO（BZPO）纳米复合材料（NCs）的合成与性能评估。该材料因其在伽马射线屏蔽方面的潜在应用而受到关注。研究团队采用了一种绿色化学方法——溶液燃烧法，利用Aloe vera凝胶提取物作为还原剂，成功制备了BZPO纳米复合材料。随后，通过600°C下持续3小时的煅烧处理，使材料进一步固化并形成稳定的纳米结构。整个合成过程不仅减少了对环境的负面影响，也提升了材料的可持续性。

为了验证BZPO纳米复合材料的合成效果，研究者对其进行了系统的分析表征。这些表征手段包括粉末X射线衍射（PXRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDAX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及紫外-可见光谱（UV–Vis）。通过PXRD分析，研究人员观察到了BZPO纳米复合材料的布拉格反射峰，确认了其晶体结构的形成。其中，BaO和ZrO?分别呈现出四面体晶系结构，而PbO则以β相正交晶系存在。这表明所合成的纳米复合材料具有良好的晶体结构，符合预期的组成要求。

SEM图像显示，BZPO纳米复合材料的表面形态由大量薄而均匀的纳米薄片构成。这种纳米薄片的结构不仅增加了材料的比表面积，也提升了其对伽马射线的吸收能力。比表面积的增加意味着更多的表面原子可以与入射的伽马射线相互作用，从而提高屏蔽效率。此外，EDAX分析进一步验证了材料中各元素的分布情况，确认了BaO、ZrO?和PbO的均匀混合，表明纳米复合材料具有良好的化学稳定性。

FTIR光谱分析显示，BZPO纳米复合材料中存在明显的金属-氧键特征峰，这进一步支持了材料的化学组成和结构的正确性。UV–Vis光谱则表明该材料在紫外和可见光区域具有较宽的吸收范围，这可能与其独特的纳米结构和组成有关。这些光谱数据为后续的伽马射线屏蔽性能评估提供了基础支持。

为了进一步评估BZPO纳米复合材料的伽马射线屏蔽能力，研究人员将其制备成样品片，并使用NaI(Tl)探测器结合MCA（多通道分析器）进行测量。通过对不同能量级别的伽马射线（如511 keV、662 keV、1173 keV和1332 keV）进行测试，研究人员计算了多种屏蔽参数，包括质量衰减系数（μ/ρ）、线性衰减系数（μ）、半值层（HVL）、十分之一值层（TVL）以及平均自由路径（λ）。这些参数的数值分别为0.143、0.088、0.058和0.054 cm2/g，6.025、9.792、14.85和15.95 cm，20.02、32.54和49.37 cm，以及53.03、8.695、14.13、21.43和23.02 cm。这些数据表明，BZPO纳米复合材料在不同能量级别下均表现出良好的伽马射线屏蔽性能。

伽马射线屏蔽材料的选择和设计对于保护人类健康和敏感设备至关重要。传统材料如铅、混凝土和复合材料虽然在某些情况下表现良好，但它们往往存在一些问题，如密度高、重量大、成本高以及在极端环境下容易发生腐蚀或降解。相比之下，BZPO纳米复合材料不仅具备较高的密度和原子序数，还通过纳米结构的设计提高了其屏蔽效率。此外，由于其绿色合成方法的采用，BZPO纳米复合材料在生产过程中减少了对环境的污染，符合当前可持续发展的要求。

研究团队在实验过程中特别强调了绿色化学的重要性。传统的合成方法如溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法、化学气相沉积法、物理气相沉积法以及球磨法虽然能够制备出高质量的纳米材料，但它们通常需要使用有毒的化学品、高温处理以及大量的能源，这在一定程度上增加了环境负担。而本研究采用的溶液燃烧法结合Aloe vera凝胶提取物作为还原剂，不仅简化了合成过程，还降低了对环境的影响。Aloe vera凝胶提取物作为一种天然的生物基还原剂，具有良好的生物相容性和可降解性，使其成为一种理想的绿色合成材料。

此外，BZPO纳米复合材料的多金属氧化物协同效应也是其性能优异的关键因素之一。BaO、ZrO?和PbO三者的结合不仅提高了材料的密度和原子序数，还通过不同的相互作用机制增强了其对伽马射线的吸收能力。例如，BaO主要通过光电效应和康普顿散射来吸收伽马射线，而ZrO?则因其高密度和良好的辐射稳定性而表现出较强的屏蔽效果。PbO则因其极高的密度和原子序数，能够有效吸收高能伽马射线。这种多元素协同作用使得BZPO纳米复合材料在广泛的能量范围内都表现出优异的屏蔽性能。

实验结果表明，BZPO纳米复合材料在不同能量级别下的屏蔽参数均优于传统材料。例如，在511 keV的能量下，其质量衰减系数为0.143 cm2/g，表明其对伽马射线的吸收能力较强。而在662 keV的能量下，质量衰减系数为0.088 cm2/g，显示出更高效的屏蔽性能。随着能量的进一步增加，BZPO纳米复合材料的屏蔽参数继续表现出优异的性能，这表明其在不同能量范围内的适用性较强。

除了质量衰减系数外，研究人员还计算了线性衰减系数、半值层和十分之一值层等参数。这些参数的数值分别为0.058和0.054 cm，以及14.85和15.95 cm。这些数据表明，BZPO纳米复合材料在不同能量级别的伽马射线照射下，能够有效减少射线的穿透能力，从而提供更全面的保护。此外，平均自由路径的计算结果也进一步支持了材料的屏蔽能力，表明其在实际应用中具有较高的适用性。

综上所述，BZPO纳米复合材料的合成和表征工作表明，该材料在伽马射线屏蔽方面具有显著的优势。其绿色合成方法的采用不仅降低了对环境的影响，还提高了材料的可持续性。此外，BZPO纳米复合材料的多金属氧化物协同效应使其在不同能量范围内均表现出优异的屏蔽性能。这些优势使得BZPO纳米复合材料成为一种具有广泛应用前景的伽马射线屏蔽材料。

在实际应用中，BZPO纳米复合材料可以用于各种需要防护伽马射线的场合，如核设施、医疗设备以及航天器等。由于其轻质、高强度和良好的屏蔽性能，BZPO纳米复合材料相较于传统材料具有更高的应用价值。此外，其绿色合成方法的采用使其在环保和可持续性方面也具有优势，这符合当前社会对环保材料的迫切需求。

研究人员在实验过程中特别强调了Aloe vera凝胶提取物在合成过程中的重要性。作为一种天然的生物基还原剂，Aloe vera凝胶提取物不仅具有良好的生物相容性，还能够有效促进纳米材料的形成。此外，其绿色合成方法的采用使得整个实验过程更加环保，符合当前可持续发展的趋势。这种绿色合成方法的推广和应用，对于未来纳米材料的研究和开发具有重要意义。

此外，BZPO纳米复合材料的结构设计也为其性能提供了保障。纳米薄片的结构不仅增加了材料的比表面积，还提高了其对伽马射线的吸收能力。这种结构设计使得BZPO纳米复合材料在不同能量范围内的适用性更强，从而提升了其在实际应用中的效果。同时，纳米薄片的结构也使得材料在机械性能方面表现出良好的稳定性，这为其在工业和核应用中的适用性提供了支持。

研究团队在实验过程中还采用了多种先进的表征技术，以确保材料的合成和性能评估的准确性。这些技术包括PXRD、SEM、EDAX、FTIR和UV–Vis光谱分析。通过这些分析，研究人员不仅确认了材料的晶体结构和表面形态，还进一步验证了其化学组成和物理性质。这些表征结果为后续的伽马射线屏蔽性能评估提供了坚实的基础。

在伽马射线屏蔽性能的评估中，研究人员采用了NaI(Tl)探测器结合MCA（多通道分析器）进行测量。这种方法能够提供高精度的伽马射线屏蔽数据，从而确保评估结果的可靠性。通过不同能量级别的测试，研究人员获得了丰富的数据，这些数据不仅揭示了BZPO纳米复合材料的屏蔽性能，还为其在实际应用中的优化提供了依据。

此外，研究团队还对BZPO纳米复合材料的其他性能进行了评估，如辐射保护效率（RPE）和能量积累因子（EBF）。这些参数的计算结果表明，BZPO纳米复合材料在辐射防护方面具有较高的效率，能够有效减少伽马射线对周围环境和设备的影响。同时，其能量积累因子的计算结果也进一步支持了材料的屏蔽能力，表明其在实际应用中具有较高的适用性。

综上所述，BZPO纳米复合材料的合成和性能评估工作表明，该材料在伽马射线屏蔽方面具有显著的优势。其绿色合成方法的采用不仅降低了对环境的影响，还提高了材料的可持续性。此外，BZPO纳米复合材料的多金属氧化物协同效应使其在不同能量范围内的适用性更强，从而提升了其在实际应用中的效果。这些优势使得BZPO纳米复合材料成为一种具有广泛应用前景的伽马射线屏蔽材料。