Nanopartículas BiFeO₃ decoradas con puntos cuánticos de carbono entregan fotocatálisis superior visible e infrarrojo cercano para degradación AO7 y reducción Cr(VI)

Antecedentes

Efluentes industriales conteniendo metales pesados y colorantes orgánicos imponen severos riesgos ambientales y salud. Cromo hexavalente, liberado procesos galvanoplastia y curtido, altamente tóxico, mientras muchos colorantes recalcitrantes y carcinogénicos. Estrategias fotocatalíticas y foto‑Fenton atractivas por bajo costo, amplio alcance sustratos y simplicidad operación. Sin embargo, fotocatalizadores convencionales banda ancha responden solo luz UV (~5 % energía solar) y sufren rápida recombinación electrón‑hueco. Luz visible e NIR comprenden ~45 % y ~46 % espectro solar, ofreciendo mayor reserva energía remediación sostenible.

BiFeO₃ (BFO), óxido perovskita, prometedor fotocatalizador luz visible, pero rendimiento limitado por rápida recombinación carga y actividad NIR despreciable. Puntos cuánticos carbono (CQD) han emergido aditivos nanocarbono versátiles que proveen gran área superficial, excelente conductividad, biocompatibilidad, y luminiscencia conversión ascendente única, permitiéndoles actuar como aceptores/donadores electrónicos y sensibilizadores NIR‑responsivos. Trabajos previos mostraron compuestos CQD/BFO degradación colorante mejorada luz visible, pero ninguna investigación sistemática actividad foto‑Fenton o catálisis NIR‑impulsada reportada.

Aquí, sintetizamos híbridos CQD/BFO y examinamos sistemáticamente su degradación fotocatalítica AO7 visible‑NIR‑inducida y reducción foto‑Fenton Cr(VI). El estudio elucidación papel CQDs separación carga, conversión ascendente, y actividad redox, proporcionando marco integral diseño fotocatalizadores banda ancha.

Métodos

Preparación CQDs

CQDs sintetizados por carbonización hidrotérmica glucosa (1 g en 80 ml agua) 180 °C 4 h. Dispersión resultante marrón rojizo filtrada dos veces eliminar agregados grandes.

Fabricación compuestos CQD/BFO

Nanopartículas BFO sintetizadas ruta gel poliacrilamida. CQDs depositados sobre BFO (0,1 g) adición gota a gota suspensión 70 ml agua bajo ultrasonicación, seguido tratamiento hidrotérmico 130 °C 4 h. Variando volumen CQD (3, 6, 12, 24 ml) preparamos compuestos 3C/BFO, 6C/BFO, 12C/BFO y 24C/BFO.

Ilustración esquemática síntesis compuesto CQD/BFO.

Degradación foto‑Fenton y fotocatalítica AO7

Degradación fotocatalítica y foto‑Fenton conducidas 200 ml AO7 (5 mg L⁻¹) bajo irradiación visible (corte 420 nm) o NIR (corte 800 nm). Tras 30 min equilibrio adsorción, H₂O₂ añadido tests foto‑Fenton. Progreso reacción monitorizado UV‑vis 484 nm. Reciclabilidad evaluada ciclos repetidos lavado y secado catalizador.

Reducción fotocatalítica Cr(VI)

Experimentos reducción Cr(VI) usaron 200 ml soluciones (10 mg L⁻¹) pH 2–3, con 0,2 g catalizador (1 g L⁻¹). Cr(VI) cuantificado vía método difenilcarbazida (DPC).

Detección radical hidroxilo

Fluorescencia ácido 2‑hidroxitereftálico (TAOH) formado ácido tereftálico (TA) y ·OH registrada (excitación 315 nm) cuantificar producción radicales durante irradiación.

Caracterización

XRD, FTIR, TEM/HRTEM, DF‑STEM, XPS, UV‑vis DRS, PL, fotocorriente, EIS empleados sondear pureza fase, morfología, composición, absorción óptica, dinámica carga, y actividad catalítica.

Resultados y discusión

Análisis XRD

Todas muestras cristalizaron fase romboédrica BFO (JCPDS 74‑2016) sin fases secundarias. Picos CQD ausentes por baja carga.

Patrones XRD BFO, CQD y 24C/BFO.

Análisis FTIR

Espectros FTIR confirmaron vibraciones características Bi–O, Fe–O, y C–O, verificando integración exitosa CQD.

Espectros FTIR BFO, CQD y 12C/BFO.

Propiedad absorción óptica

UV‑vis DRS mostró carga CQD mejoró marcadamente absorción rango UV‑vis preservando borde banda BFO (~588 nm). Análisis primera derivada confirmó banda prohibida inalterada, indicando CQDs actúan agentes cosecha luz y transferencia carga en lugar modificadores banda prohibida.

a Espectros DRS; b curvas primera derivada.

Análisis XPS

XPS confirmó presencia Bi³⁺, Fe³⁺/Fe²⁺, oxígeno red y quimisorbido, y enlaces C–C/C–O CQDs, confirmando formación exitosa compuesto.

XPS alta resolución 12C/BFO.

Observación morfología

TEM/HRTEM revelaron esferas BFO ~120 nm decoradas CQDs ~15 nm. DF‑STEM mapeo elemental confirmó distribución uniforme C superficies BFO.

Imágenes TEM/HRTEM y DF‑STEM BFO y compuestos CQD/BFO.

Rendimiento fotocatalítico y foto‑Fenton

Bajo luz visible, 12C/BFO logró 73 % degradación AO7 3 h, superando BFO desnudo (33 %) y superando otras cargas CQD. Misma tendencia reducción Cr(VI) (hasta 80 % 3 h). Tests foto‑Fenton con H₂O₂ aumentaron remoción AO7 96 % (12C/BFO). Reutilizabilidad catalizador >90 % tres ciclos.

Irradiación NIR produjo actividad despreciable BFO desnudo pero permitió 35 % degradación AO7, 63 % reducción Cr(VI) y 49 % remoción AO7 foto‑Fenton 12C/BFO, subrayando papel CQDs sensibilizadores NIR.

a Degradación AO7 luz visible; b Reducción Cr(VI); c degradación AO7 foto‑Fenton; d reciclabilidad 12C/BFO.

a Degradación AO7 NIR; b Reducción Cr(VI) NIR; c foto‑Fenton AO7 NIR; d reciclabilidad NIR.

Captura especies activas

Estudios captadores revelaron ·O₂⁻ especie dominante tanto vías fotocatalítica y foto‑Fenton, con h⁺ y ·OH contribuyendo significativamente. Procesos NIR‑impulsados también dependieron estos radicales, confirmando CQDs generan y transfieren electrones BFO bajo excitación NIR.

Dinámica cargas fotogeneradas

Medidas fotocorriente mostraron 12C/BFO produjo ~3,5× mayor densidad corriente BFO luz visible, mientras gráficos Nyquist EIS mostraron semicírculo menor 12C/BFO, indicando menor resistencia transferencia carga.

a Respuesta fotocorriente; b Espectros EIS.

Mecanismo catalítico

Bajo luz visible, BFO genera pares electrón‑hueco eficientemente separados por CQDs, que actúan como donadores y aceptores electrónicos. Conversión ascendente CQD emite fotones 400–580 nm bajo excitación NIR, excitando directamente BFO y generando portadores carga adicionales. En ciclos foto‑Fenton, H₂O₂ reacciona Fe²⁺ superficial produciendo ·OH, mientras electrones fotogenerados reducen Fe³⁺ a Fe²⁺, sosteniendo bucle catalítico. Estos procesos sinérgicos explican degradación AO7 y reducción Cr(VI) marcadamente mejoradas.

Conclusiones

Hemos demostrado que decoración CQD nanopartículas BiFeO₃ aumenta significativamente fotocatálisis y foto‑Fenton visible‑NIR‑impulsadas hacia AO7 y Cr(VI). Mejoras surgen separación carga mejorada, transferencia electrónica eficiente, y conversión ascendente CQD. Compuestos mantienen alta estabilidad múltiples ciclos, posicionándolos candidatos prometedores tratamiento aguas residuales sostenible.