Tratamiento fotocatalítico eficiente de aguas residuales usando nanoescamas de óxido de grafeno reducido decoradas con plata

Resumen

El óxido de grafeno (GO) se obtuvo mediante el método de Hummers modificado, y el óxido de grafeno reducido (rGO) se adquirió empleando tratamiento térmico. Varias concentraciones (2.5, 5, 7.5 y 10% en peso) de plata (Ag) se incorporaron en nanoescamas de GO adoptando un enfoque hidrotérmico. El fotocatalizador sintetizado Ag/rGO decorado se caracterizó mediante difracción de rayos X (XRD) para determinar pureza de fase y estructura cristalina. Los patrones XRD mostraron la formación de GO a Ag/rGO. Vibraciones moleculares y grupos funcionales se determinaron mediante espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier (FTIR). Las propiedades ópticas y una disminución en la brecha de banda con la inserción de Ag se confirmaron con espectrofotómetro UV-Visible (UV-Vis) y fotoluminiscencia (PL). Las propiedades electrónicas y desórdenes en estructuras de carbono se investigaron mediante espectroscopía Raman que reveló la existencia de bandas características (D y G). La morfología superficial de las muestras preparadas se examinó con microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM). La distribución homogénea, tamaño y forma esférica de NPs de Ag sobre láminas de rGO se confirmaron además con microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HR-TEM). La degradación de colorante de muestras dopadas y no dopadas se examinó mediante espectros UV-Vis. Los resultados experimentales indicaron que la actividad fotocatalítica de Ag@rGO aumentó con el aumento de la proporción de dopaje debido a la disminución de la recombinación de pares electrón-hueco. Por lo tanto, se sugiere que Ag@rGO puede usarse como fotocatalizador benéfico y superior para limpiar el medio ambiente y aguas residuales.

Introducción

El agua en la Tierra es análoga a la sangre en nuestros cuerpos. Es un recurso clave para la supervivencia y desarrollo de todas las especies vivas. Aunque el 71% de la superficie terrestre está cubierta de agua, solo el 0.03% del agua total se considera agua dulce directamente utilizable por humanos a través de lagos, ríos y aguas subterráneas someras. En décadas recientes, la disponibilidad inadecuada de agua potable limpia se ha presentado como una preocupación global incesante. El rápido crecimiento de la población mundial e industrialización ha llevado a una creciente contaminación ambiental, de modo que alrededor de 750 millones de personas carecen de acceso a agua limpia. Los embalses de agua se contaminan recurrentemente por diversos contaminantes peligrosos que contienen iones de metales pesados, colorantes, aceites y otros químicos liberados de diferentes curtidurías de cuero e industrias relacionadas con textil, caucho, papel, cosméticos, teñido, plástico y alimentación. Según informe del Banco Mundial, el 17-20% de la contaminación del agua es instigada por la industria textil. Anualmente se producen ~1/10 millón de tipos de colorantes en numerosos procesos textiles, entre estos el azul de metileno (MB) 10-15% se libera directamente en el efluente. Estos contaminantes crean serios problemas de salud como cáncer, irritaciones cutáneas, alergias y malfuncionamiento hepático y también son dañinos para la vida acuática.

Para abordar estos problemas globales, se emplean ciertos enfoques de tratamiento convencionales como intercambio iónico, electrólisis, filtro de carbón, coagulación química, métodos biológicos, filtración por membrana y ósmosis inversa (RO). No obstante, series de inconvenientes y limitaciones están asociados con estas técnicas incluyendo ineficiencia, procedimiento complejo, alta formación de lodos, alto costo de implementación y operación, y uso de grandes cantidades de energía. Así, tecnologías eficientes con las propiedades mencionadas necesitan desarrollarse; entre tales técnicas, la fotocatálisis supera la mayoría de deficiencias.

Hasta la fecha, la degradación fotocatalítica usando nanomateriales semiconductores inorgánicos ha exhibido gran deseabilidad e interés para investigadores debido a sus excelentes propiedades físicas y químicas como baja toxicidad, estabilidad electroquímica, capacidad superoxidante, rentabilidad y viabilidad ambiental. Durante el proceso fotocatalítico (PC), los nanomateriales absorben mayor energía de luz visible que la brecha de banda, iniciando excitación entre bandas de valencia y conducción. A través de separación de carga, se generan pares electrón-hueco. Radicales libres (OH) oxidan compuestos orgánicos y degradan contaminantes.

Por otro lado, algunos factores cruciales son vitales para determinar el rendimiento PC, específicamente el área de superficie del fotocatalizador ya que los contaminantes orgánicos degradan principalmente en la superficie del semiconductor. Presencia de robusta capacidad de absorción de luz, rápida tasa redox interfacial, entre diversas nanoestructuras; las nanoestructuras bidimensionales (2D) tienden a lograr estas características más eficientemente. Los nanomateriales 2D también ofrecen canales de transporte de electrones debido a uniones y fronteras de grano reducidas en contraste con otros nanocristales esféricos. El transporte rápido de electrones disminuye la tasa de recombinación e impulsa el rendimiento de degradación PC. En esta línea, el óxido de grafeno (GO) es un candidato adecuado para respaldar la eficiencia PC semiconductiva.

En las últimas décadas, además de CNTs y otros nanomateriales basados en carbono, el grafeno con nanoescama de un solo átomo de espesor emergió como candidato llamativo con una amplia gama de propiedades prometedoras incluyendo conversión de energía, almacenamiento y actividades catalíticas. En estudios sobre tratamiento y destilación de agua, debido a un gran número de electrones deslocalizados conjugados en configuración sp² de red de carbono, el carbono grafitico enriquece el transporte de fotoelectrones y mejora significativamente la eficiencia de conversión fotónica del sistema. Además, GO exhibe alta capacidad de absorción de materiales orgánicos en medio acuoso. GO y óxidos de grafeno reducido (rGO) permiten reacción PC y, debido a su estrecha brecha de banda, son promovidos como fotocatalizadores semiconductores activos en luz visible. Sin embargo, queda margen de mejora ya que la conversión fotónica se encontró pobre causada por la rápida recombinación de pares electrón-hueco en la superficie.

La eficiencia de conversión fotónica de fotocatalizadores basados en GO/rGO puede mejorarse previniendo la recombinación electrón-hueco. Para lograr este objetivo, modificaciones de superficie se desarrollaron bien con iones de metales nobles incluyendo platino (Pt), paladio (Pd), plata y nanopartículas (NPs) de oro. La plata entre los metales nobles más estudiados es considerada un candidato probable para modificación de grafeno y sus análogos para relevancia PC debido a su bajo costo, propiedades ópticas inigualables, mayor estabilidad química y naturaleza no tóxica. Mayor inmovilidad de nanopartículas de plata decoradas en rGO se reconoce como rendimiento mejorado, principalmente debido a área reactiva aumentada y separación de carga superior. Propiedades únicas de agregación y transporte de electrones de GO a través de esquema conjugado dirigen electrones calientes a sitios reactivos y suprimen recombinación. Consecuentemente, en beneficio de los mencionados beneficios, nos propusimos sintetizar diferentes proporciones de contenido de Ag (2.5, 5, 7.5, 10)% en peso con fotocatalizador rGO a través de ruta hidrotérmica para examinar la eficiencia del fotocatalizador y también caracterizar las muestras preparadas mediante varias técnicas para estudiar propiedades estructurales, ópticas y electrónicas.

Métodos

El presente estudio tuvo como objetivo sintetizar varias concentraciones de Ag en nanoescamas de rGO a través de ruta hidrotérmica para investigar la eficiencia del fotocatalizador.

Materiales

Grafito (99%) y nitrato de sodio (NaNO₃) 99.9% se adquirieron de "Sigma-Aldrich", mientras que ácido sulfúrico (H₂SO₄, 37%) y ácido fosfórico (H₃PO₄) se obtuvieron de "Analar". Plata (Ag, 99.8%), permanganato de potasio (KMnO₄, 99%) y ácido clorhídrico (HCl) se obtuvieron de "Merck". Todos los químicos se usaron sin purificación adicional.

Síntesis de GO

Se adoptó el método de Hummers modificado para obtener GO. Grafito (5 g) y NaNO₃ (2.5 g) se mezclaron en H₂SO₄ (108 ml) con 12 ml H₃PO₄. La mezcla se agitó magnéticamente en baño de hielo por 10 min; posteriormente la solución filtrada se secó en horno mufla a 60 °C por 2 h para eliminar humedad. Luego, KMnO₄ (15 g) se agregó lentamente manteniendo temperatura por debajo de 5 °C. La suspensión se transfirió a baño de hielo por 2 h después de agitación vigorosa a 98 °C por 60 min mientras se agregaba agua continuamente. Agua desionizada adicional se agregó hasta que el volumen de suspensión fue 400 ml después de 5 min H₂O₂ (12 ml) se mezcló. Finalmente, la suspensión se centrifugó y lavó repetidamente con agua y HCl, el producto se secó a 60 °C y el pH de GO se encontró en 5.7 después del lavado como se ilustra en la Fig. 1.

Síntesis de Ag/rGO

El rGO se extrajo de GO por reducción térmica; GO se redujo manteniéndolo a temperatura de reducción (300 °C); un cambio repentino de temperatura causa eliminación de grupos funcionales y átomos de oxígeno de planos de carbono y la exfoliación de GO ocurre para producir rGO. El rGO puede considerarse grafeno derivado químicamente, cuya estructura varía de monocapa a multicapa. Ag-rGO dopado con varias proporciones de concentración se sintetizó hidrotérmicamente, usando 800 mg nanoescamas de GO incorporadas con (25, 50, 75 y 100 mg) Ag en 80 ml agua desionizada bajo agitación vigorosa por 20 min. La solución se centrifugó (30 min) y posteriormente se transfirió a un autoclave de 100 ml revestido de teflón, sellado y calentado a 200 °C (24 h). El producto final se secó a ~200 °C como se muestra en la Fig. 1.

Actividad Fotocatalítica

La actividad fotocatalítica de los productos preparados se evaluó por la degradación de azul de metileno sintético (MB) en medio acuoso como se muestra en la Fig. 2. Colorante (5 mg/500 ml) se preparó con 10 mg suspensión de fotocatalizador (0.025:1, 0.050:1, 0.075:1 y 0.1:1) bajo agitación (5 min) y expuesto a oscuridad por 30 min para lograr absorbancia significativa. 60 ml de solución preparada con agitación vigorosa se transfirieron a fotorreactor bajo lámpara de mercurio (400 W y 400-700 nm) usada como fuente de luz visible. Después de exposición a luz por intervalos de tiempo especificados (20 min), suspensión (3 ml) se recolectó para determinar degradación de colorante. La concentración/absorbancia de MB se examinó con espectrómetro UV-Vis; la eficiencia de decoloración del fotocatalizador preparado se evaluó como: Degradación (%) = [1 - (C/C₀)] × 100, donde C₀ es la absorbancia en t = 0 y C es la absorbancia en tiempo t (intervalo de tiempo específico).

El mecanismo de degradación fotocatalítica de moléculas orgánicas se dilucida como sigue (Fig. 2). Cuando el fotocatalizador (Ag/rGO) es irradiado con fotones de energía igual o mayor a la energía de brecha de banda del PC, entonces electrones (e⁻) son excitados desde la banda de valencia (VB): PC + hv → e⁻(CB) + h⁺(VB). Los electrones generados por irradiación pueden ser atrapados fácilmente por molécula de O₂ absorbida en la superficie del fotocatalizador (PC) u O₂ disuelto para dar radicales superóxido, es decir, O₂•⁻: e⁻ + O₂ → O₂•⁻. Así, O₂•⁻ puede reaccionar con H₂O para producir radical hidroperoxilo (H₂O•) y radical hidroxilo (OH•), que son agentes oxidantes influyentes que descomponen moléculas orgánicas: O₂•⁻ + H₂O → H₂O• + O. Concurrentemente, huecos fotogenerados podrían ser atrapados por grupos hidroxilo superficiales (H₂O) en la superficie de un fotocatalizador para producir radicales hidroxilo (OH•): h⁺ + OH⁻ → •OH_ad; h⁺ + H₂O → •OH + H⁺. Eventualmente, moléculas orgánicas serán oxidadas para producir CO₂ y H₂O: OH + moléculas orgánicas + O₂ → productos (CO₂ y H₂O). Temporalmente, ligera recombinación de hueco positivo y electrón podría ocurrir lo que podría reducir la actividad fotocatalítica del nanocatalizador preparado.

Caracterización de Materiales

La estructura cristalina e información de fase de GO y Ag@rGO se investigaron mediante XRD, por sistema Bruker spectrum (XRD, D2 Phaser, USA) equipado con radiación Cu K monocromatizada de longitud de onda promedio 0.154 nm (5-80°) usando velocidad de barrido 0.05/min. Espectrómetro FTIR Perkin Elmer 3100 con rango espectral 4000-400 cm⁻¹ con aumento de 32 barridos y resolución 0.2 cm⁻¹ se empleó para detectar grupos funcionales y otras vibraciones moleculares de muestras preparadas. Propiedades ópticas se registraron mediante espectrofotómetro UV-Vis (TECAN infinite M200PRO) en rango 200-700 nm. Morfología superficial y distancia intercapas de muestras sintetizadas se observaron usando microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM), JSM-6460LV y microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HR-TEM) Philips CM30, y JEOL JEM 2100F. Para confirmar GO, escamas Ag/rGO y modos de vibración, espectros Raman se emplearon en Renishaw a través de microscopio Raman confocal réflex con longitud de onda 532 nm (6 mW) láser. Espectros de fotoluminiscencia de muestras preparadas y dopadas se registraron mediante espectrofluorómetro (JASCO, FP-8300).

Resultados y Discusión

La estructura de fase y tamaño de cristalito de nanoescamas rGO preparadas con Ag insertado se examinaron usando análisis XRD (Fig. 3a). El difractograma de GO muestra reflexión intensa ubicada en ~10.27° atribuida a plano (001) con espaciado intercapas de 0.80 nm. Tras dopaje Ag, pico ancho se origina en ~25.4°, reconocido como pico característico de grafeno indexado como plano (002) (JCPDS No# 04-0783) de grafito hexagonal, con espaciado d de 0.34 nm. Pico (001) revela que polvo de grafito se oxidó completamente a GO y pico (002) avaló la remoción de plantilla de policarbono entre dos capas de rGO. Tras sustitución Ag, pico GO (001) se desplazó a valor mayor a 2θ en 25.4° con menor espaciado d evidente a reacción redox entre óxido de grafeno e iones plata (Ag-rGO) y valor d-desplazamiento después de reducción causado por remoción de grupos conteniendo oxígeno que intercalan entre capas de óxido de grafeno reducido (rGO) como visible en difractograma XRD. Tamaño de cristalito promedio evaluado por ecuación de Scherrer: D = kλ/(β cos θ). Los tamaños de cristalito se encontraron ~4.85, 11.3, 11.53, 11.6 y 28.3 nm respectivamente. Difracción electrónica de área seleccionada (SAED) en Fig. 3b y c correspondiente a patrones XRD de muestras preparadas exhibe características de anillo distintas indicando fase hexagonal de GO y Ag/rGO manifestada a productos bien cristalizados; también, indexación de anillo fue consistente con patrones XRD.

Los espectros de transformada de Fourier infrarroja (FTIR) de GO y Ag-rGO dopado se ilustran en la Fig. 3d. Pico observado ~3433 cm⁻¹ corresponde a vibración de estiramiento O-H. Picos de baja transmitancia en 1719 cm⁻¹ asignan a vibraciones de estiramiento C=O causadas por grupos COOH y banda en 1627 cm⁻¹ asignada a estiramiento aromático C-C. Pico en ~2371 cm⁻¹ asignado a grupos COO. Pico de transmitancia (~650 cm⁻¹) es región de huella digital de enlace de carbono hibridizado sp² asignado como vibración de flexión C-H. Banda ~1082 cm⁻¹ corresponde a C-O-C de vibraciones de estiramiento hidroxilo, al dopar, el valor de pico de grupos funcionales en muestra dopada cambió ligeramente mientras sus formas permanecen similares.

Propiedades ópticas en términos de absorbancia y análisis de brecha de banda del fotocatalizador Ag-rGO se escrutinizaron mediante espectrógrafo UV-Vis variando 200-700 nm como se muestra en la Fig. 4a. El espectro UV-Vis de GO exhibe pico característico alrededor de 230 nm debido a transición π-π* de enlaces aromáticos C-C indicando restauración de un marco conjugado extenso de átomos de carbono sp². Otro pico hombro observado en 300 nm atribuido a transiciones n-π* de enlaces C=O. Por el contrario, estos dos picos se debilitaron en caso de Ag/rGO correspondiente a transición π-π* de enlace aromático C-C encontrado desplazado al rojo en 270 nm que confirma la reducción de GO e indica no restauración de conjugación electrónica de grafeno. La absorción en región visible (~400 nm) debido a su resonancia plasmónica superficial de NPs Ag que es evidencia adicional como fotocatalizador activo en luz visible para remoción de cuerpos orgánicos. Brecha de banda calculada por ecuación de Tauc; αhν = D(hν - Eg)ⁿ graficando (αhν)² vs hν por extrapolación de ajustes lineales, la banda se calculó 4.10 eV para GO y 3.98 a 3.50 eV para Ag/rGO, brecha de banda disminuyó gradualmente con mayor dopaje de NPs Ag claramente observado en Fig. 4b.

Las características morfológicas de muestras GO y Ag-rGO elucidadas mediante FESEM y HR-TEM mostrando en Fig. 5. Imágenes GO (Fig. 5a) muestran pocas capas de microestructuras con ricas arrugas y morfología esponjosa semejante a cortina delgada. Imágenes de Ag@rGO (Fig. 5b-d) muestran nanoescamas parcialmente plegadas y enrolladas transparentes con pequeñas fluctuaciones esenciales para soportar estabilidad termodinámica de grafeno, debido a su estructura cristalina 2D. Nanoescamas exhiben estructuras extremadamente limpias, sedosas y onduladas y esta característica puede ser importante para evitar agregación de láminas rGO y mantener superficie para facilitar adhesión de NPs Ag en láminas de grafeno que puede visualizarse en imágenes HR-TEM. Las imágenes HR-TEM correspondientes (Fig. 6 a₁-d₁), GO exhibe estructura laminar y tipo lámina con área superficial limpia (Fig. 6a₁), en muestra Ag-rGO (Fig. 5 b₁) pocos pliegues de apilamiento debido a sus distorsiones de alta fracción de enlaces sp³ C-O. Con concentración creciente de NPs Ag (Fig. 6 c₁, d₁) imágenes revelaron dispersión bien distribuida y homogénea de NPs Ag de forma esférica en superficie de láminas rGO con tamaño promedio de partícula 10-12 nm. En Fig. 6 d₁ con concentración más alta (10%) de Ag, agregación de partículas aumentó lo que es evidente a especies dopadas.

Las imágenes de extremadamente alta resolución hasta 5 y 10 nm espaciado d de muestras Ag/rGO pueden observarse claramente en Fig. 6a-d. Áreas circuladas indican presencia de NPs Ag con espaciado de red de nanocristal Ag siendo aproximadamente 0.235 nm.

El análisis de fotoluminiscencia (PL) se realizó para investigar vida útil, transferencia y atrapamiento de par electrón-hueco y estudio de la interacción entre nanoestructuras de grafeno, su influencia en respuesta fotocatalítica ilustrada en Fig. 7a. El grafito no exhibe propiedades de luminiscencia debido a brecha de banda cero. No obstante, al disminuir tamaño hasta nanoescala, la brecha de banda se ensancha causada por efecto de confinamiento cuántico. En nanoescamas de GO y rGO, grupos óxido y vacancias de carbono alteraron el grafeno para formar cualquier nano-clúster de carbono que demuestra comportamiento semiconductor y fenómeno de luminiscencia que puede ser influenciado por tamaño o fracción de cadenas y clústeres. En espectros PL, picos de luminiscencia se ubicaron en ~330, 565 y 608 nm lo que se atribuye a recombinación de par electrón-hueco en estado local de clústeres de carbono sp² incorporados con matriz sp³. Por tanto, luminiscencia rGO se debe a grupos funcionales óxido desaparecidos que facilitan la percolación de vías entre clústeres sp². Pico significativo en ~565 nm disminuyó bruscamente en caso de rGO con reducción de grupos funcionales óxido GO que disminuyen y clústeres de carbono sp² se expanden simultáneamente.

La espectroscopía Raman se desplegó para sondear propiedades electrónicas y estructurales de la muestra control y Ag@rGO para distinguir estructuras de carbono ordenadas y desordenadas como se demuestra en Fig. 7b, c. En caso de GO, dos bandas se ubican en ~1340 y ~1590 cm⁻¹ asignadas como banda D y G, respectivamente. La banda D se asigna a modo de respiración de fonones punto k con simetría A_1g y banda de átomos de carbono sp³; banda G sugiere pico característico de estructura híbrida sp² que revela simetría y cristalizabilidad de carbono e introduce dispersión de fonones ópticos transversales (TO) y longitudinales (LO) en plano zona centro, doblemente degenerados con simetría E_2g. Además, banda D es evidente a defectos superficiales e imperfecciones estructurales surgen con grupos funcionales hidroxilo y epóxido unidos a planos basales de carbono. La banda G es el único modo Raman en grafeno originado de un proceso convencional de dispersión Raman de primer orden y corresponde a centro de zona en plano, modo de fonón doblemente degenerado (óptico transversal (TO) y longitudinal (LO)) con simetría E_2g. En caso de Ag-rGO espectro Raman observado en 1338 cm⁻¹ (banda D), 1583 cm⁻¹ (banda G) y 2682 cm⁻¹ (banda 2D) hay un pico adicional centrado en 2900 cm⁻¹ (banda D+G) que representa desorden debido a dispersión de combinación en Fig. 7b, c. Los modos D y 2D originan del proceso resonante de segundo orden entre puntos k no equivalentes en zona de Brillouin (BZ) de grafeno, como banda 2D indica segundo orden de banda D que alude a sobretono de banda D con su existencia debida a dos procesos vibracionales de red fonón; no obstante, no está asociado con defectos como banda D en Fig. 7c. Las variaciones en intensidades relativas de bandas G y D en espectros Raman de GO durante reducción usualmente designan a cambio en estado de conjugación electrónica. Este cambio sugiere aumento en número de dominios atómicos sp² siguiendo reducción de GO. La relación de intensidad D a banda G define grado de desorden en capas de grafito; I_D/I_G = 0.87 para muestra libre de dopaje (GO), I_D/I_G = 1.15 para muestras dopadas Ag y aumento en relación indica disminución en tamaño promedio de dominios de carbono sp² después de síntesis de Ag@rGO, mientras relación de intensidad entre banda 2D y G (I_2D/I_G) que es 1.69, se ha usado para sondear concentración de electrones en rGO.

Las nanopartículas de Ag, cuando se dopan en material semiconductor, generan una diferencia de potencial de contacto debido a sus diferentes funciones de trabajo. Esta diferencia de potencial se llama barrera de Schottky. Como se muestra en Fig. 8, la curvatura de banda cuando se forma un contacto después de alcanzar equilibrio depende de las energías relativas de las funciones de trabajo del metal (ϕ_M) y el semiconductor (ϕ_B). Este fenómeno puede mejorar grandemente la eficiencia de separación de carga, una vez que puede inducir migración direccional de electrones fotogenerados del semiconductor al metal. En otras palabras, puede llevar a generación de sitio efectivo de atrapamiento de electrón para suprimir la recombinación electrón-hueco.

La actividad fotocatalítica de nanoescamas GO y Ag/rGO ocurrió debido a su alta área superficial y baja energía de brecha de banda. Así Ag/rGO exhibe mejora sustancial en foto-degradación de MB y el colorante se degrada completamente (Fig. 9b) en 120 min. La ecuación de pseudo-primer orden puede emplearse para elaborar sobre eficiencia fotocatalítica (Fig. 9a) de muestras GO y Ag/rGO explícitamente, usando la expresión: -ln(C_t/C_o) = kt, donde C_o es concentración inicial de colorante y C_t es concentración en tiempo t, k es constante de velocidad aparente del proceso de degradación que se muestra en gráfico de absorbancia (Fig. 9a), es decir, valor de k para GO es ~0.1300 min⁻¹ y k aumenta extraordinariamente en caso de Ag/rGO (0.1300 min⁻¹ a 0.7459 min⁻¹). La Fig. 9c revela compresión de % degradación con tiempo, GO muestra 65% eficiencia y aumento gradual con concentración de dopaje. Ag/rGO (0.10:1) muestra máxima % degradación hasta 100% lo que es probable debido a efectos sinérgicos de NPs Ag. Finalmente, sobre la base de estos hallazgos en el presente estudio, se puede sugerir que Ag/rGO es un excelente producto que puede usarse para purificación de agua de colorantes orgánicos.

Conclusión

GO se obtuvo exitosamente mediante método de Hummers modificado y rGO se sintetizó a partir de tratamiento térmico durante la inserción de Ag (2.5, 5, 7.5 y 10% en peso) vía ruta hidrotérmica. Según patrón XRD, desplazamiento de pico y disminución en espaciado d (0.34 a 0.023 nm) apuntan hacia reacción redox de GO al dopar Ag con estructura cristalina hexagonal; aumento de tamaño de cristalito promedio (4.85 a 15.6 nm) con sustitución de Ag se observa. Espectros FTIR confirmaron pico de transmitancia alrededor de 650 cm⁻¹ que es región de huella digital de enlace de carbono hibridizado sp² asignado como vibración de flexión C-H y revela información sobre otros grupos funcionales unidos. Pico característico atribuido a enlaces π-π* y n-π* y corrimiento al rojo en picos. Avala la presencia de Ag como elucidado con espectroscopía UV-Vis, una disminución obvia en energía de brecha de banda (4.10 a 3.50 eV) con aumento de proporción de dopaje calculada con ayuda de ecuación de Tauc. Características morfológicas muestran capas de apilamiento de GO y Ag/rGO con espaciado de red ~0.235 nm, forma esférica y tamaño (10-12 nm) de NPs Ag visualizados mediante HR-TEM. Los átomos de carbono de estado local clústeres sp² incorporados con matriz sp³, disminución significativa de pico en caso de rGO y clústeres de carbono sp² expandidos al dopar se confirmaron con espectros PL. Simetría A_1g en átomos de carbono sp³ en banda D, estructura híbrida sp² que revela simetría y cristalizabilidad de carbono e introduce dispersión de fonones E_2g de átomo de carbono y defectos superficiales se calcularon mediante espectros Raman. La actividad fotocatalítica responde a Ag/rGO (0.10:1) y degrada 100% de concentración MB. Estos hallazgos sugieren que el nanocatalizador preparado no muestra comportamiento peligroso en tratamiento de agua y es un excelente nanocatalizador para eliminación de contaminantes orgánicos de aguas residuales.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricción.

Abreviaturas

UV-Vis:

Espectroscopía ultravioleta-visible

XRD:

Difracción de rayos X

FTIR:

Espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier

EDS:

Espectroscopía de rayos X dispersiva en energía

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

JCPDS:

Comité conjunto de estándares de difracción de polvos