Síntesis de nanoestructuras basadas en compuestos de bismuto y su aplicación en la reducción fotocatalítica de cromo hexavalente en solución acuosa

Abstract

El cromo hexavalente, Cr(VI), es una especie tóxica que se encuentra presente en aguas residuales provenientes del curtido de pieles, galvanoplastia y fabricación de pigmentos. Al tratarse de un agente cancerígeno, es de vital importancia su eliminación de cuerpos de agua por métodos responsables con el medio ambiente. En este estudio, se sintetizaron nanoestructuras (NEs) de Bi2WO6 (BiW) y BiVO4 (BiV), así como una heterojunta BiW/BiV a través de una metodología verde e hidrotermal de un solo paso. Además, se realizó la decoración de las NEs con grafeno, G (1.25% peso), y se efectuó la caracterización fisicoquímica por diversas técnicas analíticas. Las NEs demostraron actividades excepcionales en la reducción de Cr(VI) a Cr(III) vía fotocatálisis heterogénea, alcanzando entre 93 y 100 % de reducción de Cr(VI) en 30 min empleando un LED visible de baja potencia (50 W). En 30 min de irradiación, el G/BiV presentó la velocidad de reacción más alta (k1 = 11.42×10-2 min-1), seguido por BiW/BiV (k1 = 10.73×10-2 min-1). Notablemente, el G/BiV fue capaz de fotorreducir el 100 % de Cr(VI) en tan solo 10 min, exhibiendo una k1 igual a 38.72×10-2 min-1 para las condiciones experimentales siguientes: 50/100 mg/mL dosis NE, ácido tartárico (AT) como especie secuestrante de huecos (3/1 relación AT/Cr(VI)), 20 mg/L de Cr(VI), pH de la solución igual a 2 y temperatura de 25 °C. La actividad superior del G/BiV puede atribuirse, entre otras cosas, a su morfología uniforme, constituida por hexaedros cóncavos formados por el ensamblaje de múltiples láminas con bordes irregulares, en contacto y soportados sobre finas láminas de grafeno. La adición de G en BiV permitió el aumento de hasta 1.32 veces el valor de k1 en 30 min de irradiación en comparación con BiV puro, debido a su accionar como puente de electrones y la disminución en la recombinación del par e- - h+ fotogenerado. El G/BiV demostró una eficiencia de 97 % de reducción de Cr(VI) después de 3 ciclos fotocatalíticos, lo que confirma su estabilidad y posibilidad de reúso. El presente trabajo es el pionero en el uso de Bi2WO6/BiVO4 en reducción de Cr(VI) con actividad superior respecto a otras heterouniones que se han empleado. Las NEs BiV y BiW independientes o en combinación, puras o decoradas con grafeno, representan fotocatalizadores viables y eficientes para el tratamiento de agua contaminada con metales pesados. Para conseguir una fotoreducción eficiente, es preciso la optimización y compromiso entre las diferentes variables de proceso como son la morfología de la NE, Eg, fuente de iluminación, especie secuestrante y su concentración, química superficial del grafeno y pH de la solución, entre otras.

Hexavalent chromium, Cr(VI), is a toxic species found in leather tanning, electroplating, and pigment manufacturing wastewater. Because it is a carcinogen, its removal from water bodies by environmentally responsible methods is crucial. In this research, Bi2WO6 (BiW) and BiVO4 (BiV) nanostructures (NEs) and a BiW/BiV heterojunction were synthesized using a green and one-step hydrothermal methodology. In addition, the NEs were decorated with graphene, G (1.25 wt.%), and their physicochemical characterization was carried out employing different analytical techniques. The NEs exhibited exceptional activities in the reduction of Cr(VI) to Cr(III) via heterogeneous photocatalysis, achieving Cr(VI) reduction between 93 and 100% in 30 min using a low-power visible LED (50 W). After 30 min of irradiation, G/BiV showed the highest reaction rate (k1 = 11.42×10-2 min-1), followed by BiW/BiV (k1 = 10.73×10-2 min-1). It is noteworthy that G/BiV was able to reduce 100% of Cr(VI) within 10 min, exhibiting a k1 equal to 38.72×10-2 min-1 under the following experimental conditions: 50/100 mg/mL dose of NE, tartaric acid (AT) as hole scavenging species (3/1 AT/Cr(VI) ratio), 20 mg/L Cr(VI), solution pH equal to 2 and temperature of 25 °C. The superior activity of G/BiVO4 can be attributed, among other things, to its uniform morphology, consisting of concave hexahedrons formed by assembling multiple sheets with irregular edges adjacent to or supported on thin sheets of graphene. The addition of graphene to BiV allowed an increase in the value of k1 up to 1.32 times after 30 min of irradiation compared to pure BiV due to its role as an electron bridge and the reduction of the photogenerated e- - h+ pair recombination rate. G/BiV showed an efficiency of 97% Cr(VI) reduction after 3 photocatalytic cycles, confirming its stability and reusability. The present work is a pioneer in the use of Bi2WO6/BiVO4 for Cr(VI) reduction with higher activity than other heterojunctions that have been used. BiVO4 and Bi2WO6 NEs, alone or in combination, pure or decorated with graphene, represent viable and efficient photocatalysts for the treatment of wastewater containing heavy metals. To achieve efficient photoreduction, the optimization and the relationship between different process variables, such as NE morphology, Eg, illumination source, scavenger species and their concentration, graphene surface chemistry, and solution pH, among others, is required.