Síntesis de nanocompuestos basados en BiOI empleados en la adsorción y fotodegradación de compuestos orgánicos en solución acuosa

Abstract

En la presente tesis se sintetizaron por química verde cuatro nanocompuestos (NCs) basados en BiOI: 1) BiOI pristino; 2) BiOI decorado con N-grafeno (N-G), N-G/BiOI; 3) BiOI adicionado con plata (Ag), Ag/BiOI; 4) BiOI decorado con N-G y Ag, Ag/N-G/BiOI. Los NCs se usaron como materiales adsorbentes y fotocatalizadores para eliminar dos contaminantes orgánicos en soluciones acuosas, rodamina B (RhB) y tetraciclina (TC). Los NCs obtenidos se caracterizaron por diversas técnicas analíticas. DRX y Raman confirmando la existencia de la fase BiOI con simetría tetragonal y sus modos vibracionales característicos, además de los modos Raman de grafeno y Ag en los NCs decorados. El análisis SEM reveló que el BiOI tiene una morfología de tipo microflor, conformada por nanoláminas de BiOI. El N-G se observó como agujas alargadas, mientras que la Ag mostró formas esféricas localizadas en la superficie de BiOI. Las propiedades de textura fueron obtenidas por fisisorción de N2 y confirmaron que los NCs sintetizados son mesoporosos, y tienen áreas SBET entre 55.5 y 62.8 m2/g y diámetro promedio de poro entre 11.21-12.77 nm. A través de potencial zeta, se encontró que los NCs presentan cargas superficiales negativas en el intervalo de pH analizado (2-12), mientras que el N-G/BiOI presentó un punto isoeléctrico (pHPIE) de 2.3. El estudio por UV-Vis DRS reveló que los bordes de absorción óptica de los NCs se encuentran entre 640 y 673 nm y los valores de banda prohibida (Bg) entre 1.9 y 2 eV, lo que permite la fotoactivación con luz visible. Los análisis de fotoluminiscencia indicaron que el Ag/BiOI presenta una menor tasa de recombinación de pares electrón-hueco y supone una mayor actividad fotocatalítica. El estudio de adsorción de RhB y TC sobre los NCs reveló que las capacidades para adsorber RhB y TC variaron en los intervalos de 36-39 y 83-86 mg/g, respectivamente. El N-G/BiOI presentó la capacidad más alta para adsorber ambos contaminantes. Se encontró que el mecanismo de adsorción de RhB y TC sobre los NCs se debe a interacciones electrostáticas atractivas entre las formas zwiteriónicas de RhB y TC y la superficie negativa de los NCs. Se analizó la actividad fotocatalítica de los NCs para degradar RhB, usando LEDs blancos (SMD 5050) de muy baja potencia, 19 W. El Ag/BiOI alcanzó el 99 % de degradación de RhB en 480 min. Además, se consiguió el 81 % de degradación de TC con el uso de Ag/BiOI en 45 min, empleando un par de LEDs azules (COB) de 50 W c/u. Se encontró que la concentración inicial del contaminante, la dosis de catalizador y el pH de la solución tienen un papel primordial en la actividad fotocatalítica de Ag/BiOI para degradar RhB y TC. Se determinó que los huecos y superóxidos son las principales especies oxidativas causantes de la degradación de RhB y TC.

In this thesis, four BiOI-based nanocomposites (NCs) were synthesized by green chemistry: 1) pristine BiOI; 2) BiOI decorated with eco-graphene (N-G), N-G/BiOI; 3) BiOI added with silver (Ag), Ag/BiOI; 4) BiOI decorated with N-G and Ag, Ag/N-G/BiOI. The NCs were used as adsorbent and photocatalyst materials to remove two organic pollutants in aqueous solutions, rhodamine B (RhB) and tetracycline (TC). The NCs obtained were characterized by various analytical techniques. XRD and Raman confirmed the existence of the BiOI phase with tetragonal symmetry and its characteristic vibrational modes, in addition to the Raman modes of graphene and Ag in the decorated NCs. SEM analysis revealed that the BiOI has a microflower-like morphology, consisting of BiOI nanolayers. N-G was observed as elongated needles, while Ag showed spherical shapes located on the BiOI surface. Textural properties were obtained by N2 physisorption and confirmed that the synthesized NCs are mesoporous, have SBET areas between 55.5 and 62.8 m2/g, and average pore diameter between 11.21-12.77 nm. Through zeta potential, it was found that the NCs present negative surface charges in the pH range analyzed (2-12), while the N-G/BiOI presented an isoelectric point (pHPIE) of 2.3. UV-Vis DRS analysis revealed that the optical absorption edges of the NCs are between 640 and 673 nm, and the band gap (Bg) values are between 1.9 and 2 eV, which allows photoactivation with visible light. Photoluminescence studies indicated that the Ag/BiOI exhibits a lower electron-hole pair recombination rate and implies a higher photocatalytic activity. The adsorption study of RhB and TC on NCs found capacities of 36-39 and 83-86 mg/g for RhB and TC, respectively. The N-G/BiOI presented a higher adsorption capacity for both contaminants. The adsorption mechanism of RhB and TC on NCs is associated with attractive electrostatic interactions between the zwitterionic forms of RhB and TC and the negatively charged surface of NCs. The photocatalytic activity of NCs to degrade RhB was analyzed using white LEDs (SMD 5050) of low-power, 19 W. The Ag/BiOI achieved 99 % degradation of RhB in 480 min. In addition, 81 % photodegradation of TC was attained over Ag/BiOI catalyst within 45 min, using a pair of blue LEDs (COB) of 50 W each. The initial contaminant concentration, catalyst dosage, and solution pH have an essential role in the photocatalytic activity of Ag/BiOI to degrade RhB and TC. Besides, holes and superoxides are the main oxidative species causing the degradation of RhB and TC.