Síntesis de heterojuntas p-n de BiOI/Bi2WO6 y su aplicación en la eliminación de tetraciclina en solución acuosa vía adsorción y fotodegradación

Abstract

Se sintetizaron exitosamente heterojuntas p-n de BiOI (BI) y Bi2WO6 (BW) a través de metodologías de química verde. Se usaron diversas relaciones de BI/BW, como son: 1:2, 1:1 y 2:1 (% en peso). Se realizaron decoraciones de la heterojunta 1BI/1BW con nanopartículas de plata (Ag-NPs) y grafeno dopado con nitrógeno (NG), siguiendo protocolos verdes. La caracterización de las heterouniones por DRX confirmó la coexistencia de las fases BI y BW con simetría tetragonal y ortorrómbica, respectivamente. Además, la presencia de Ag-NPs y NG en 1BI/1BW se corroboró por la técnica de Raman. El Bg de las heterojuntas se encontró en el intervalo entre 1.90 y 2.72 eV, mientras que en las heterojuntas decoradas con Ag-NPs y NG resultó entre 1.72 y 1.92 eV. El pHPIE de Ag/1BI/1BW, NG/1BI/1BW y Ag/NG/1BI/1BW resultó de 3.1, 3.5 y 2.4, en tanto que el resto de las heterouniones, BI y BW mostraron carga superficial negativa en el intervalo de pH analizados (2-12). Los estudios de adsorción revelaron que la capacidad de BI y BW pristinos y la heterojunta 1BI/1BW decorada con Ag-NPs y NG para adsorber TC resultó en el intervalo de 14-68 mg/g, siendo la heterojunta Ag/1BI/1BW la que mostró mayor capacidad para adsorber TC. Se realizaron estudios de velocidad de adsorción de TC sobre la heterounión Ag/1BI/1BW, que confirmaron la adsorción rápida de TC. Los estudios de potencial Zeta y el efecto de la fuerza iónica demostraron que existe poca o nula contribución de las interacciones electrostáticas en el mecanismo de adsorción de TC sobre Ag/1BI/1BW. El estudio de la fotodegradación de TC, usando las diversas heterojuntas p-n y decoradas, reveló que Ag/1BI/1BW alcanzó la actividad catalítica más alta, consiguiendo un porcentaje de degradación de TC (%XTC) del 81 % en 120 min bajo irradiación con LEDs azules de baja potencia, 19 W. El consumo de energía del proceso durante la fotodegradación de TC resultó significativamente inferior, 0.0475 kWh. Se encontró que, la dosis de catalizador, la concentración inicial de TC y el pH de la solución tienen un efecto importante en la actividad fotocatalítica de Ag/1BI/1BW. Además, las pruebas con agentes secuestrantes confirmaron que los •O2 - y h+ son las especies oxidativas principales que causan la degradación de TC. Se analizó la capacidad de reúso de Ag/1BI/1BW y se determinó el grado de mineralización de TC por la técnica TOC.

BiOI (BI) and Bi2WO6 (BW) p-n heterojunctions were successfully synthesized using green chemistry methodologies. Different ratios of BI/BW were obtained, such as: 1:2, 1:1 and 2:1 (wt.%). The 1BI/1BW heterojunction was decorated with silver nanoparticles (Ag-NPs) and nitrogen-doped graphene (NG) following green procedures. XRD characterization of the heterojunctions confirmed the coexistence of BI and BW phases exhibiting tetragonal and orthorhombic symmetry, respectively. The presence of Ag-NPs and NG in 1BI/1BW was corroborated by the Raman technique. The Bg of the heterojunctions was found to be between 1.90 and 2.72 eV, while 1BI/1BW decorated with Ag-NPs and NG showed Bg values from 1.72 to 1.92 eV. The pHPIE on Ag/1BI/1BW, NG/1BI/1BW, and Ag/NG/1BI/1BW resulted in 3.1, 3.5, and 2.4, while the rest of heterojunctions, BI and BW exhibited negative surface charge in the pH range analyzed (2-12). Adsorption studies revealed that the capacity of BI and BW photocatalysts and the 1BI/1BW heterojunction decorated with Ag-NPs and NG to adsorb TC resulted in the range of 14-68 mg/g; among these, Ag/1BI/1BW heterojunction showed the highest TC adsorption capacity. TC adsorption rate studies were performed on the Ag/1BI/1BW heterojunction, confirming the rapid adsorption of TC. Zeta potential and ionic strength effect studies demonstrated minimal or no contribution of electrostatic interactions in the adsorption mechanism of TC adsorption on Ag/1BI/1BW. The study of TC photodegradation in aqueous solution, using the different decorated NN heterojunctions, revealed that Ag/1BI/1BW achieved the highest catalytic performance, obtaining a TC degradation percentage (%XTC) of 81 % in 120 min under irradiation with low power blue LEDs, 19 W. Besides, the energy demand of the process during TC photodegradation was significantly lower, 0.0475 kWh. The catalyst dosage, initial TC concentration, and solution pH significantly affect the photocatalytic activity of Ag/1BI/1BW. Furthermore, tests with scavenging agents showed that •O2 - and h+ are the main oxidative species causing TC degradation. The reusability of Ag/1BI/1BW was analyzed, and the TOC technique measured the mineralization rate of TC. Key Words: Heterojunction, Bi-based photocatalysts, LEDS, Green synthesis, photodegradation.