Degradación Fotocatalítica Mejorada de Rodamina B Usando Nanocompuestos SrTiO₃/Bi₅O₇I: Fabricación, Caracterización y Conocimientos Mecanísticos

Resumen

Reportamos ruta descomposición térmica para sintetizar nanocompuestos SrTiO₃/Bi₅O₇I que combinan nanopartículas perovskita SrTiO₃ con nanorods tetragonales Bi₅O₇I. DRX, XPS, MEB, EDS, FTIR, DRS, y análisis PL confirman pureza fase, formación heterounión íntima, y separación carga efectiva. Bajo irradiación solar simulada, compuesto 30 % peso SrTiO₃/Bi₅O₇I alcanza 89,6 % eliminación Rodamina B (RhB) en 150 min —3,97-veces mayor Bi₅O₇I puro y 12,5-veces mayor SrTiO₃. •O₂⁻ y huecos dominan proceso oxidativo, mientras datos PL revelan recombinación suprimida. El estudio elucidación mecanismo heterounión tipo-Z que impulsa fotocatálisis superior, ofreciendo blueprint fotocatalizadores alto rendimiento, luz visible.

Antecedentes

Contaminantes tintes efluentes textiles plantean riesgos ecológicos y salud severos, impulsando búsqueda métodos remediación verdes, coste-efectivos. Adsorción convencional, coagulación, y procesos oxidación avanzada a menudo sufren altos costes operacionales y residuos secundarios. Fotocatálisis basada semiconductores, especialmente bajo luz solar, emerge alternativa prometedora por fuente energía renovable y mínimos subproductos. TiO₂ permanece fotocatalizador referencia, sin embargo su ancho gap banda limita actividad luz visible y promueve rápida recombinación electrón-hueco. Estrategias recientes involucran modificación superficie o acoplamiento semiconductor mejorar absorción luz y separación carga.

Bi₅O₇I, oxiyoduro tipo-p, exhibe banda valencia relativamente alta generando huecos oxidantes fuertes, pero sufre eficiencia transferencia carga pobre. Acoplamiento con SrTiO₃ tipo-n, perovskita térmicamente estable con alineamiento banda adecuado, puede formar heterounión efectiva facilita migración electrón y reduce recombinación. Este trabajo pionero síntesis nanocompuestos SrTiO₃/Bi₅O₇I y evalúa rendimiento fotocatalítico y mecanismo subyacente.

Métodos

Preparación Compuestos SrTiO₃/Bi₅O₇I

Nanopartículas SrTiO₃ y precursores SrTiO₃/BiOI primero preparados vía ruta sol-gel. Compuestos luego sometidos descomposición térmica (rampa 5 °C min⁻¹ a 500 °C, mantener 3 h, enfriar naturalmente) para producir nanocompuestos SrTiO₃/Bi₅O₇I con cargas variables SrTiO₃ (10–40 % peso).

Caracterización

Análisis fase empleó DRX (Cu Kα). Morfología y mapeo elemental capturados por MEB-CE con EDS. Química superficial sondada por XPS. UV-vis reflectancia difusa (DRS) evaluó absorción óptica, mientras espectroscopía PL evaluó recombinación carga. FTIR identificó grupos funcionales.

Evaluación Fotocatalítica

Actividad fotocatalítica medida por degradación RhB bajo lámpara Xe 500 W (luz solar simulada). 100 mg catalizador dispersó en 100 mL 20 mg L⁻¹ RhB, agitó 30 min oscuridad (equilibrio adsorción), luego irradiado. Cada 30 mL, 3 mL alícuotas centrifugaron, y concentración RhB cuantificada por espectroscopía UV-vis.

Resultados y Discusión

Análisis DRX

SrTiO₃ puro exhibió picos perovskita esperados (JCPDS 35-0734). Bi₅O₇I mostró reflexiones tetragonales características (JCPDS 10-0548). Compuesto 30 % peso mostró superposición ambos patrones sin fases secundarias, confirmando formación heterounión exitosa.

Análisis XPS

Barridos survey revelaron Ti, Sr, Bi, I, O. Espectros nivel núcleo confirmaron estados Ti⁴⁺, Sr²⁺, Bi³⁺, I⁻, y pico O 1s se dividió en componentes red y vacancia-relacionados, indicando vacancias oxígeno ayudan transporte carga.

MEB & EDS

Partículas SrTiO₃ esféricas (50–300 nm). Nanorods Bi₅O₇I (100–300 nm × 80 nm) envolvieron partículas SrTiO₃, creando contacto íntimo. EDS confirmó contenido 30 % peso SrTiO₃.

Propiedades Ópticas

DRS mostró borde UV 380 nm SrTiO₃ y borde luz visible 520 nm Bi₅O₇I. Compuesto absorbió fuertemente entre 480–520 nm, mejorando cosecha luz visible. Gaps banda calculados 3,2 eV (SrTiO₃), 2,31 eV (Bi₅O₇I), y 2,38 eV (compuesto 30 % peso).

Actividad Fotocatalítica

Bajo luz solar simulada, compuesto 30 % peso alcanzó 89,6 % eliminación RhB en 150 min, superando ambos materiales prístinos. Constante velocidad aparente (k_app) fue 1,45 × 10⁻² min⁻¹, 12,5-veces mayor SrTiO₃ y 2,97-veces mayor Bi₅O₇I. Pruebas reutilizabilidad cinco ciclos mostraron pérdida actividad despreciable, confirmando estabilidad estructural.

Conocimientos Mecanísticos

Estudios captadores revelaron •O₂⁻ y huecos son especies oxidativas dominantes; radicales hidroxilo jugaron papel despreciable. Espectros PL mostraron emisión marcadamente reducida compuesto, indicando recombinación electrón-hueco suprimida. Posiciones banda calculadas (E_VB = 2,92 eV Bi₅O₇I, 2,03 eV SrTiO₃) soportan heterounión tipo-Z: electrones fluyen SrTiO₃ a Bi₅O₇I, mientras huecos migran opuestamente, impulsando separación carga eficiente y generación •O₂⁻.

Conclusiones

Hemos ingeniado nanocompuestos SrTiO₃/Bi₅O₇I vía simple método descomposición térmica que produce robusta heterounión tipo-Z. Compuesto 30 % peso entrega superior degradación fotocatalítica RhB bajo luz solar simulada, atribuida a absorción luz visible mejorada y separación carga eficiente. Estos hallazgos proveen ruta escalable fotocatalizadores alto rendimiento aplicables tratamiento aguas residuales y más allá.