Síntesis hidrotérmica de puntos cuánticos de carbono emisores azul y verde a partir de aguas residuales de tofu

Resumen

Reportamos un método hidrotérmico sencillo para producir puntos cuánticos de carbono (CQDs) fluorescentes a partir de aguas residuales de producción de tofu. Se obtuvieron dos variantes de CQDs: CQDs-1, sintetizados en agua desionizada, emiten fluorescencia azul bajo luz UV, mientras que CQDs-2, preparados en solución de NaOH, emiten luz verde. La espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) revela que la diferencia clave radica en la química superficial: CQDs-1 contienen concentraciones más altas de grupos C-O y C=O, mientras que CQDs-2 están enriquecidos en funcionalidades carboxilo debido al tratamiento con NaOH. Estudios de fotoluminiscencia (PL) confirman los colores de emisión distintos y proporcionan información sobre el papel de los estados superficiales. Con un rendimiento cuántico del 54,49% para CQDs-1, este enfoque demuestra una ruta sostenible hacia CQDs de alto rendimiento mientras se valoriza una corriente de residuos común de procesamiento de alimentos.

Introducción

El tofu, un alimento básico en la cocina asiática, ahora se produce a escala industrial, generando grandes volúmenes de aguas residuales ricas en suero amarillo de soja. Este efluente, que contiene carbohidratos, proteínas, ácidos orgánicos y pigmentos, plantea desafíos ambientales pero también representa una valiosa fuente de carbono para la síntesis de nanomateriales. Los puntos cuánticos de carbono (CQDs) son nanopartículas de carbono sub-20 nm que combinan excelente solubilidad en agua, inercia química, baja toxicidad y biocompatibilidad con estructuras electrónicas tipo semiconductor, lo que los hace atractivos para aplicaciones ópticas y biomédicas. La síntesis convencional de CQDs se basa en estrategias top-down o bottom-up usando precursores diversos; trabajos recientes han destacado biomasa (ej., paja de trigo, jugo de naranja) como materias primas de carbono sostenibles. Nuestro estudio adapta la ruta hidrotérmica —conocida por su simplicidad y escalabilidad— para transformar aguas residuales de tofu en CQDs, permitiendo un doble beneficio de reducción de residuos y producción de nanomateriales.

Métodos

Las aguas residuales se recolectaron del Parque Industrial de Tofu, Condado de Shi Ping, Yunnan, China. El protocolo involucró: (i) pirólisis de 300 mL de suero amarillo a ~93 °C durante 3-5 h hasta formar un residuo seco; (ii) enfriamiento a temperatura ambiente y adición de 50-200 mL agua desionizada (para CQDs-1) o 100 mL solución NaOH (pH ≈ 12,4) (para CQDs-2); (iii) agitación durante 4 min seguida de 5 min ultrasonicación; (iv) centrifugación a 12.000 rpm durante 20 min para aislar el sobrenadante con CQDs. Variaciones en temperatura, tiempo y pH se usaron para ajustar las propiedades ópticas de los CQDs. CQDs-1 aparecen amarillos a simple vista pero fluorescen azul bajo UV, mientras que CQDs-2 fluorescen verde.

Resultados y Discusión

Morfología y Tamaño. Imágenes TEM de alta resolución (Figura 1) muestran que ambas variantes de CQD son nanopartículas esféricas monodispersas con diámetros de 2-10 nm; el tamaño medio es 3,5-5,5 nm y un espaciado de red de ~0,21-0,22 nm confirma ordenamiento grafítico.

Química superficial. Espectros XPS de barrido completo (Figura 2) confirman la presencia de C, N, O, y S, P menores (CQDs-1) o Na, Cl (CQDs-2). Espectros C 1s de alta resolución (Figura 3) revelan que CQDs-1 contienen enlaces C-C/C=C (284,7 eV), C-O (286,1 eV) y C=O (287,9 eV), mientras que CQDs-2 muestran un pico COOH adicional (289,1 eV). El contenido reducido de C-O/C=O en CQDs-2 resulta de la pasivación superficial mediada por hidroxilo, desplazando la emisión a longitudes de onda mayores.

Fotoluminiscencia. Espectros PL (Figura 4) muestran que CQDs-1 emiten luz azul brillante con intensidad máxima a ~410 nm excitación, mientras que CQDs-2 emiten luz verde, con pico a ~480 nm excitación. El pico de emisión se desplaza a longitudes de onda mayores con longitud de onda de excitación creciente, indicando que los estados superficiales, más que el confinamiento cuántico dependiente del tamaño, dominan el comportamiento PL. El mayor contenido de nitrógeno (8,5% vs 6,8%) en CQDs-1 mejora la recombinación radiante a través de estados superficiales adicionales, explicando su rendimiento cuántico superior (54,49%) relativo a CQDs-2.

Mecanismo de emisión. Los datos apoyan un modelo de recombinación mediado por estados superficiales: electrones fotoexcitados se relajan no radiativamente en estados superficiales (C-O, C=O, COOH) y posteriormente se recombinan radiativamente con huecos en la banda de valencia. La presencia de dos estados superficiales distintos en CQDs-1 explica su espectro PL más ancho de doble pico, mientras que el único estado dominado por COOH en CQDs-2 produce una emisión verde más estrecha.

Conclusiones

Este estudio demuestra que las aguas residuales de tofu, un subproducto fácilmente disponible y ambientalmente problemático, pueden valorizarse en CQDs de alta calidad vía un proceso hidrotérmico simple. Los CQDs resultantes emisores azul y verde exhiben fotoluminiscencia ajustable gobernada por química superficial, con rendimiento cuántico superando 50% para la variante azul. El enfoque ofrece una ruta sostenible y de bajo costo para producción a gran escala de CQDs, potencialmente avanzando aplicaciones en bioimagen, sensado y optoelectrónica. Trabajos futuros se centrarán en extender el espectro de emisión hacia la región roja mediante mayor funcionalización superficial.