Nanoestructuras de BiVO4/Bi2WO6 decoradas con grafeno y plata y su aplicación en remediación ambiental

Abstract

En este estudio se sintetizaron exitosamente BiVO4 (BVO) y Bi2WO6 (BWO) y heterojuntas del tipo n-n de BVO/BWO por medio de un proceso hidrotermal optimizado. Se realizó la decoración de BVO/BWO con nanopartículas de plata (NPs-Ag) y eco-grafeno funcionalizado (G) empleando procedimientos sencillos y de química verde. A través de difracción de rayos-X y Raman se confirmó la coexistencia de las fases monoclínica de BVO y ortorrómbica de BWO, además de la presencia de NPs-Ag y G. Microscopia electrónica de barrido (MEB) reveló la morfología tipo mancuerna de BVO y microflor de BWO. La banda prohibida (Eg) para todos los nanocompuestos (NCs) sintetizados se encontró entre 2.07 y 3.02 eV. El BVO y G-BVO/BWO presentaron punto isoeléctrico (pHPIE) a pH de 2.6 y 2.2, respectivamente, y el resto de NCs mostraron una carga superficial negativa entre pH 2 y 12. La heterojunta Ag-G-BVO/BWO obtuvo la actividad fotocatalítica más alta en la degradación de tetraciclina (TC), alcanzando 77 % en 40 min de irradiación con un LED (Light emitting diode) azul de 50 W. Dicha actividad se relacionó con la menor recombinación de los pares electrón-hueco fotogenerados en Ag-G-BVO/BWO. Se encontró que el pH de la solución (3, 5 y 7), dosis de fotocatalizador (15/100, 30/100 y 50/100 mg/L) y concentración inicial de TC (10, 15 y 20 mg L-1) impactan en el desempeño fotocatalítico de Ag-G-BVO/BWO. Se determinó que los huecos y superóxidos son las especies principales que causan la oxidación de TC. Mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (CG-MS) se identificaron diversos ácidos orgánicos y alcoholes generados por la degradación de TC. Por otra parte, BVO/BWO presentó la capacidad de adsorción de TC más alta, 𝑞𝑚 = 21.3 mg g-1, mientras que 19.1 mg g-1 fue la máxima masa de TC adsorbida sobre Ag-G-BVO/BWO a pH 5. El estudio de los efectos de pH de la solución y fuerza iónica en el equilibrio de adsorción corroboraron que el mecanismo principal de adsorción de TC sobre Ag-G-BVO/BWO es la formación de complejos químicos estables superficiales a pH 5 y 7, en tanto que a pH 3 son las interacciones electrostáticas atractivas. Asimismo, con el uso Ag-G-BVO/BWO y en 240 min de irradiación, se consiguió la reducción de 7.24, 7.52, 7.60, 6.92 y 7.85 Log10 UFC mL-1 de A. baumannii, K. pneumoniae, P. aeruginosa, E. faecalis y S. aureus), respectivamente, bacterias Gram positivas y negativas resistentes a TC.

In this study, BiVO4 (BVO) and Bi2WO6 (BWO), and n-n-type BVO/BWO heterojunctions were successfully synthesized by an optimized hydrothermal process. The decoration of BVO/BWO with silver nanoparticles (NPs-Ag) and functionalized eco-graphene (G) was conducted via simple and green chemistry procedures. The coexistence of monoclinic BVO and orthorhombic BWO phases, as well as the presence of NPs-Ag and G, was confirmed by X-ray diffraction and Raman. Scanning electron microscopy (SEM) revealed the dumbbell- and microflower-like shapes for BVO and BWO, respectively. The band gap (Eg) obtained for the as-synthesized nanocomposites (NCs) was between 2.07 and 3.02 eV. BVO and G-BVO/BWO presented isoelectric point (pHPIE) at pH 2.6 and 2.2, respectively, and the other NCs showed a negative surface charge between pH 2 and 12. The Ag-G-BVO/BWO heterojunction obtained the highest photocatalytic activity in tetracycline (TC) degradation, reaching 77 % within 40 min of irradiation using a 50 W blue LED (Light emitting diode). This activity was related to the lower recombination of photogenerated electron-hole pairs in Ag-G-BVO/BWO. Solution pH (3, 5, and 7), photocatalyst dosage (15/100, 30/100, and 50/100 mg L-1), and initial TC concentration (10, 15, and 20 mg L-1) affected the photocatalytic performance of Ag-G-BVO/BWO. It was determined that holes and superoxide radicals are the main species causing the oxidation of TC. Through gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC-MS), various organic acids and alcohols generated by TC degradation were identified. On the other hand, BVO/BWO presented the highest TC adsorption capacity, qm = 21.3 mg g-1, while 19.1 mg g-1 was the maximum mass of TC adsorbed on Ag-G-BVO/BWO at pH 5. The study of the effects of solution pH and ionic strength on the adsorption equilibrium corroborated that the main mechanism of TC adsorption on Ag-G-BVO/BWO is the formation of stable surface chemical complexes at pH 5 and 7, whereas, at pH 3, it is attractive electrostatic interactions. Likewise, using Ag-G-BVO/BWO and 240 min as irradiation time, it was attained the reduction of 7.24, 7.52, 7.60, 6.92, and 7.85 Log10 CFU mL-1 of A. baumannii, K. pneumoniae, P. aeruginosa, E. faecalis, and S. aureus), correspondingly, Gram-positive, and negative bacteria resistant to TC.