Advanced Nanocomposite Hydrogels for Photocatalysis and Antibacterial Activity Applications: Synthesis, Characterization, and Performance Evaluation

Abstract

Nanocomposite hydrogels (NCHs) are a combination of two components nanofiller and hydrogel, this combination results in an advanced class of material known for its unique properties, making it suitable for various applications. Among them, are catalysis and biomedical. Herein, the preparation of nanocomposite hydrogels (NCHs) via the in-situ reduction approach was investigated. Potassium polyacrylate hydrogel (PPAH) was utilized to load silver (Ag) and Zinc oxide (ZnO) nanoparticles. The as-prepared samples PPAH/Agx and PPAH/Ag@ZnO NCHs were thoroughly characterized by different analytical techniques including UV-Vis, FTIR, XRD, SEM, and EDX. The indirect band gap energies were estimated to be 2.5 and 1.75 eV for PPAH/Ag and PPAH/Ag@ZnO, respectively, SEM images showed cubic shape for Ag NPs, The EDX quantitative analysis revealed that PPAH/Ag contains 60.48% of silver while PPAH/Ag@ZnO contains 58.77, 28.05, and 13.18% of Silver, Zinc, and Oxygen elements. during this work, the photocatalytic activity of the as-prepared NCHs was studied under sunlight irradiation, the outcomes presented 95% elimination of Rose Bengal dye over PPAH/Ag. Also, 98.77, and 98.05% elimination of o-Toluidine blue and 4-Bromophenol dyes, respectively, over PPAH/Ag@ZnO. Besides, PPAH/Ag@ZnO was subjected to a reusability test over 5 consecutive cycles in the degradation of o-Toluidine blue and 4-bromophenol dyes, the findings demonstrated its exceptional effectiveness and stability, Finally, PPAH/Agx samples exhibited better antibacterial effect against different types of microorganisms, namely Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Escherichia coli ATCC 25922, and Staphylococcus aureus ATCC 25923 compared to most antibiotics used in this test. Overall, based on these results, these materials have promising potential for successful applications in catalysis and biomedical fields.

الهلاميات المائية النانوية (NCHs) هي عبارة عن دمج عنصر نانوني في بنية هيدروجيل، ينتج عن هذا الدمج فئة متقدمة من المواد ذات خصائص فريدة من نوعها، مما يجعلها مناسبة لمختلف التطبيقات. والتي من بينها، الحفز والطب الحيوي. في هذه الدراسة، تم تحضير الهلاميات المائية النانوية (NCHs) عن طريق عملية "الإرجاع في الموقع". حيث استُخدم هيدروجيل متعدد أكريلات البوتاسيوم (PPAH) لتحميل جزيئات الفضة وأكسيد الزنك النانوية. تم تحليل العينات المحضرة PPAH/Agx وPPAH/Ag@ZnO NCHs بدقة من خلال تقنيات تحليلية مختلفة بما في ذلك UV-Vis وFTIR وXRD وSEM وEDX. وقد قدرت طاقات فجوة النطاق غير المباشرة بـ 2.5 و1.75 ev لـ PPAH /Ag وPPAH/Ag@ZnO، على التوالي، أظهرت صور المسح المجهري الإلكتروني SEM شكلًا مكعبًا لـجزيئات الفضة الناونية Ag NPs ، كما كشف التحليل الكمي EDX أن عينة PPAH/Ag تحتوي على 60.48% من عنصر الفضة بينما تحتوي عينة PPAH/Ag@ZnO على 58.77. 28.05، و13.18% من عناصر الفضة والزنك والأكسجين على التوالي. خلال هذا العمل، تم أيضا دراسة نشاط التحفيز الضوئي لـ NCHs المحضرة تحت إشعاع ضوء الشمس، وأظهرت النتائج إزالة 95٪ من صبغة البنغال الوردية على PPAH/Ag وإزالة 98.77، و98.05٪من الصبغين أورتو أزرق التولويدين و4-بروموفينول، على التوالي، باستعمال PPAH/Ag@ZnO. علاوة على ذلك، تم إخضاع PPAH/Ag@ZnO لاختبار قابلية إعادة الاستخدام على مدار 5 دورات متتالية في تحلل الصبغين أورتو أزرق التولويدين و4-بروموفينول، وأظهرت النتائج فعاليته واستقراره الاستثنائيين، وأخيرًا، أظهر إختبار مضادات البيكتريا فاعلية قوية لعينات PPAH/Agx ضد مختلف أنواع السلالات البيكتيريا وهي Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853، Escherichia coli ATCC 25922، و Staphylococcus aureus ATCC 25923. حسب النتائج المتحصل عليها من هذا الإختبار، قد لُوحظ أن كبح عينات PPAH/Agx للبيكتيريا أكثر فعالية مقارنة بغالبية المضادات الحيوية المختلفة التي أعتمدت في هذا الإختبار. بشكل عام، بناءً على كل النتائج، تتمتع هذه المواد المحضرة بإمكانيات واعدة لتطبيقها بنجاح في مجال الحفز الكيميائي ومجال الطب الحيوي.