Nanopartículas óxido zinc dopadas magnesio: optimizando degradación fotocatalítica y eficacia antibacteriana

Resumen

Usando simple enfoque co-precipitación, sintetizamos NPs ZnO prístinas y dopadas Mg con 0-7,5 % mol Mg. Difracción rayos X confirmó fase única hexagonal wurtzita, mientras SEM reveló granos nanoescala (30-110 nm) morfología hexagonal. Incorporación Mg redujo banda prohibida 3,36 a 3,04 eV y produjo borde absorción desplazado rojo. Fotoluminiscencia mostró emisión visible mejorada 430-600 nm, indicativa mayor densidad defectos. Pruebas fotocatalíticas, 7,5 % Mg-ZnO logró 78 % degradación Rodamina B bajo irradiación UV-Vis. Ensayos antibacterianos contra cepas Gram-positivo (S. aureus) y Gram-negativo (E. coli, Proteus) demostraron dopaje Mg intensificó progresivamente diámetros zona inhibición, confirmando rendimiento antimicrobiano superior.

Antecedentes

Nanopartículas muestran propiedades dependientes tamaño que permiten interacciones sistemas biológicos y contaminantes ambientales. Óxido zinc (ZnO) es semiconductor rentable, químicamente estable ampliamente usado protectores solares, fotocatálisis y aplicaciones antibacterianas. Dopaje ZnO metales divalentes como Mg puede adaptar banda prohibida óptica, química defectos y reactividad superficial, mejorando así actividades fotocatalítica y antimicrobiana. Mg, siendo menor que Zn, sustituye Zn²⁺ en red, induciendo tensión y creando vacancias oxígeno que sirven sitios activos separación portadores carga y generación especies reactivas oxígeno (ROS).

Métodos

Reactivos grado analítico (Sigma-Aldrich) usados sin purificación adicional. ZnCl₂ y MgCl₂ mezclados ratios molares 0,975:0,025, 0,950:0,050, 0,925:0,075 obtener 2,5 %, 5 %, 7,5 % Mg-ZnO respectivamente. Solución 1 M NaOH añadida gota a gota mezcla cloruros metálico bajo agitación vigorosa; precipitado resultante envejecido 6 h, filtrado, lavado agua desionizada y acetona, secado 100 °C, molido y calcinado 300 °C 4 h. Ruta co-precipitación produce partículas nanosized alta pureza condiciones ambientales.

Propiedades estructurales, morfológicas y ópticas caracterizadas XRD (Bruker D8, Cu Kα, λ = 1,54056 Å), FE-SEM (ZEISS), espectroscopía UV-Vis (Hitachi U-3900H), y fotoluminiscencia (Job HR800, láser He-Cd 325 nm). Actividad antibacteriana evaluada vía difusión disco agar contra cepas E. coli, S. aureus y Proteus.

Resultados y Discusión

Análisis Estructural

Patrones XRD (Fig. 2) exhibieron picos característicos 31,8°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,7°, 62,9°, 68°, confirmando estructura hexagonal wurtzita (JCPDS 36-1451). No fases secundarias detectadas. Intensidades picos disminuyeron con aumento Mg, indicando ligera pérdida cristalinidad por distorsión red. Pico (101) desplazó ángulos menores, consistente sustitución Zn²⁺ (radio iónico 0,60 Å) por Mg²⁺ (0,57 Å). Tamaños cristalitos, calculados ecuación Scherrer, aumentaron ~35 nm (puro) a ~70 nm (7,5 % Mg). Tabla 1 resume parámetros red, fracciones empaquetado atómico y valores tensión.

Morfología y Composición

Imágenes FE-SEM (Fig. 3) muestran granos hexagonales bien definidos 30-110 nm, mayor contenido Mg produciendo mejor dispersión. Espectros EDS (Fig. 4) confirman presencia Zn, Mg, O, con intensidad Mg correlacionando nivel dopaje y sin elementos extraños detectados.

Propiedades Ópticas

Absorción UV-Vis (Fig. 5a) revela absorbancia aumentada y borde absorción desplazado rojo al subir contenido Mg. Gráficos Tauc (Fig. 5b) rinden bandas prohibidas disminuyendo 3,36 eV (puro) a 3,04 eV (7,5 % Mg), reflejando confinamiento cuántico mejorado y estados inducidos defectos.

Fotoluminiscencia

Espectros PL (Fig. 6) muestran pico UV fuerte (~400 nm) y banda visible ancha (450-620 nm). Emisión visible intensifica con dopaje Mg, indicando más vacancias anión superficie y mejor separación electrón-hueco.

Rendimiento Fotocatalítico

Bajo irradiación UV 125 W (311 nm), 7,5 % Mg-ZnO logró 78 % degradación Rodamina B tras 120 min, superando ZnO puro (~20 %). Análisis cinético (Fig. 9) muestra constantes velocidad primer orden aumentando 1,09 × 10⁻³ a 1,26 × 10⁻² min⁻¹ con contenido Mg, confirmando dinámica portadores carga mejorada. Mejora atribuida mayor área superficial, vacancias oxígeno y sumideros electrón efectivos proveídos incorporación Mg.

Actividad Antibacteriana

Ensayo difusión disco (Fig. 10) revela NPs Mg-ZnO inhiben tanto bacterias Gram-positivas como Gram-negativas. Zonas inhibición aumentan con porcentajes Mg mayores, alcanzando 18 mm contra E. coli y 20 mm contra S. aureus para 7,5 % Mg-ZnO. Generación ROS mejorada y banda prohibida reducida facilitan acción antimicrobiana más fuerte.

Conclusiones

Dopaje Mg vía co-precipitación produce NPs ZnO fase-pura con morfología ajustable, banda prohibida reducida y mayor densidad defectos. 7,5 % Mg-ZnO entrega degradación fotocatalítica superior colorantes orgánicos y potente actividad antibacteriana, haciéndolo candidato prometedor remediación ambiental y aplicaciones antimicrobianas.