Mejora del rendimiento fotocatalítico y antimicrobiano de nanobarras de ZnO dopadas con Mg: caracterización estructural y perspectivas de acoplamiento molecular

Resumen

Se prepararon nanobarras de ZnO dopadas con Mg en diversas concentraciones mediante técnica de co-precipitación. El objetivo de este estudio fue mejorar las propiedades fotocatalíticas del ZnO. El efecto de la dopación con Mg en la estructura, constitución de fase, presencia de grupos funcionales, propiedades ópticas, composición elemental, morfología superficial y microestructura del ZnO se evaluó con XRD, FTIR, espectrofotómetro UV-Vis, EDS y HR-TEM, respectivamente. Los espectros de absorción óptica obtenidos de las muestras preparadas mostraron evidencia de desplazamiento hacia el azul tras la dopación. Los resultados de XRD revelaron fase wurtzita hexagonal del nanocompuesto con disminución gradual del tamaño de cristalito con la adición de Mg. La espectroscopía PL mostró eficiencia de atrapamiento y migración de portadores de carga con comportamiento de recombinación electrón-hueco, mientras que HR-TEM estimó el espaciado intercapas d. La presencia de enlaces químicos, modos de vibración y grupos funcionales en la interfaz del ZnO se reveló mediante espectros FTIR y Raman. En este estudio, el rendimiento fotocatalítico, sonocatalítico y sonofotocatalítico de las NRs preparadas se investigó sistemáticamente degradando una mezcla de azul de metileno y ciprofloxacino (MBCF). Los resultados experimentales sugirieron que las NRs de ZnO dopadas con Mg mostraron un rendimiento de degradación mejorado. Creemos que el producto sintetizado en este estudio resultará un fotocatalizador beneficioso y prometedor para el tratamiento de aguas residuales. Conclusivamente, el ZnO dopado con Mg exhibió eficacia sustancial (p < 0,05) contra bacterias gram-negativas (G-) en comparación con gram-positivas (G+). Estudios in silico de acoplamiento molecular de NRs de ZnO dopadas con Mg contra DHFR (puntuación de unión: -7,518 kcal/mol), DHPS (puntuación de unión: -6,973 kcal/mol) y FabH (-6,548 kcal/mol) de E. coli predijeron la inhibición de las enzimas dadas como posible mecanismo detrás de su actividad bactericida.

Introducción

Los efluentes de contaminantes orgánicos en agua y contaminantes bacterianos infecciosos en alimentos se están convirtiendo en desafíos principales que deben superarse para sostener un ambiente saludable [1, 2]. Como ejemplo, las infecciones causadas por bacterias Shigella flexneri causan alrededor de 1,5 millones de muertes al año por contaminación de alimentos y bebidas [3]. Agentes tóxicos y cancerígenos presentes en colorantes liberados al ambiente acuático plantean riesgos graves para el ambiente y la salud pública [4]. Estos colorantes también afectan la actividad fotosintética de formas de vida acuáticas como cianobacterias y algas que sirven para disminuir la transparencia del agua dulce [5].

Se han realizado innumerables estudios experimentales para desarrollar métodos físicos, biológicos y químicos, así como nuevas tecnologías para la eliminación de colorantes de aguas residuales. Hasta ahora, se estudiaron métodos físicos incluyendo ultrafiltración por membrana, adsorción y precipitación [6] y enfoques biológicos. Además, se han usado procedimientos de biodegradación para la degradación de materia orgánica soluble para erradicar bacterias que existen en descargas, mientras que los métodos químicos comprenden decoloración fotoquímica, cloración y ozonación [7]. Los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales, incluyendo precipitación química, adsorción, coagulación y separación, no son técnicas adecuadas ya que requieren la transferencia de colorantes de un punto a otro y causan contaminación secundaria [8]. Por tanto, los investigadores buscan tecnologías de tratamiento ecológicas que involucren la degradación directa de contaminantes orgánicos en compuestos inofensivos [9].

Recientemente, los procesos avanzados de oxidación (AOPs) fotocatalíticos y sonocatalíticos, en presencia de nanopartículas semiconductoras (NPs), han ganado mucha consideración debido a su estabilidad química, rentabilidad y no toxicidad [10,11,12]. La fotocatálisis es un método de oxidación mejorado, que involucra la generación de portadores de carga en fotocatalizador semiconductor bajo irradiación lumínica. Los portadores de carga foto-generados participan en reacciones redox y eliminan contaminantes del agua [13, 14]. Varios estudios han mostrado que las especies radicales OH^· se acumulan en la superficie del fotocatalizador durante reacciones fotoquímicas y conducen a la degradación de diversos colorantes orgánicos. Hoy en día, como consecuencia del aumento en la producción de iones OH^·, la sinergia de la fotocatálisis (PCA) y la irradiación ultrasónica, llamada sonofotocatálisis (SPCA), parece aumentar la eficiencia de degradación del nanocatalizador. De hecho, SPCA ha mostrado tener un impacto beneficioso en la tasa de degradación de compuestos químicos en agua que son tóxicos, peligrosos y venenosos [15]. Actualmente, el uso de NPs de óxidos metálicos para el tratamiento de agua contaminada, debido a su beneficio coste, respeto al medio ambiente, estabilidad y reciclabilidad, ha atraído el interés de los investigadores [16, 17]. Además, semiconductores inorgánicos de banda ancha como TiO₂, WO₃, ZrO₂ y ZnO han demostrado ser exitosos en procesos redox catalíticos inducidos por luz para degradar colorantes [18, 19]. El ZnO, un semiconductor de banda ancha bien conocido (Eg=3,37 eV), exhibe potencial extraordinario debido a sitios activos de defectos superficiales en aplicaciones PCA, estabilidad fisicoquímica excepcional, alto potencial de oxidación-reducción, gran energía de enlace de excitones (~60 meV), además de ser económico y libre de tóxicos [20,21,22,23]. Entre varios metales, el magnesio (Mg) es el dopante más fascinante para sintetizar nanomateriales de ZnO con banda óptica Eg-ingenierada. La sustitución de Mg en ZnO es favorecida por los siguientes factores: (i) constantes de red invariantes, (ii) radios iónicos muy cercanos (Mg⁺²= 0,72 Å y Zn⁺²= 0,74 Å), (iii) alta solubilidad de Mg en ZnO, (iv) ZnO dopado proporciona un aumento en Eg e intensidad de luminiscencia UV-Vis, útil para aplicaciones optoelectrónicas. Además, el ZnO dopado con Mg puede servir como fotocatalizador efectivo para degradación de colorantes y agente antibacteriano alentador como resultado de su banda óptica ancha [23].

En este trabajo de investigación, se adoptó la ruta de co-precipitación para sintetizar nanocompuestos eficientes de ZnO dopado con Mg para actividades catalíticas y bactericidas. Las muestras preparadas se caracterizaron mediante XRD, HR-TEM, EDS, FTIR, UV-Vis y espectroscopía Raman para análisis detallado. La actividad catalítica de las muestras preparadas se estudió para degradación de una mezcla de azul de metileno y ciprofloxacino (MBCF), mientras que la actividad antibacteriana se probó contra bacterias G+ y G-. Además, se realizaron estudios de acoplamiento molecular contra dihidrofolato reductasa (DHFR) y dihidropteroato sintasa (DHPS) de la ruta biosintetica del folato y β-cetoacil-proteína transportadora de acilo sintasa III (FabH) de la ruta biosintetica de ácidos grasos.

Métodos

Materiales

Nitrato de zinc tetrahidratado (Zn(NO₃).4H₂O, 99,0%), cloruro de magnesio hexahidratado (MgCl₂.6H₂O, 99,0%) e hidróxido de sodio (NaOH, 99,0%) se recibieron de Sigma-Aldrich.

Síntesis de Óxido de Zinc (ZnO) Dopado con Mg

Diversas concentraciones de Mg dopadas en una cantidad fija de nanomateriales de ZnO se sintetizaron con método de co-precipitación. Se usó solución 0,5 M de Zn(NO₃).4H₂O como precursor de Zn, y la cantidad deseada (2, 4, 6 y 8% en peso) de dopante se añadió vertiendo MgCl₂ en la solución. Las soluciones preparadas se agitaron en agua desionizada (agua DI) durante 90 min a 80 °C, manteniendo el pH alrededor de 12 añadiendo lentamente NaOH (0,1 M) en la solución agitada. Los precipitados obtenidos se centrifugaron a 4000 rpm (20 min), se secaron a 100 °C durante 24 horas y luego se molieron para obtener polvo fino (Fig. 1).

Caracterización de Materiales

Para identificar la constitución de fase y estructura de los productos, se operó el difractómetro de rayos X PANanalytical X-pert PRO-XRD equipado con radiación CuK alfa (λ = 1,541874 Å) en el rango 2θ° (20°–80°). La existencia de grupos funcionales usando el espectrómetro PerkinElmer se verificó mediante FTIR. Con el espectrofotómetro UV-Vis, se observaron las propiedades ópticas (Genesys 10S spectrophotometer). Para adquirir espectros de emisión de fotoluminiscencia (PL) en la banda 300–500 nm, se empleó el espectrofluorómetro JASCO FP-8200. Con espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS) usando software INCA EDS, se estimó la composición elemental. El microscopio electrónico de barrido (SEM modelo JEOL JSM 6460LV) y el microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HR-TEM modelo JEOL JEM 2100F) se usaron para determinar la morfología y microestructura de las muestras sintetizadas.

Actividad Fotocatalítica, Sonocatalítica y Sonofotocatalítica

La actividad sonocatalítica (SCA) y sonofotocatalítica (SPCA) de la degradación de MBCF se probó en baños ultrasónicos para catalizadores ZnO y Mg:ZnO operando a frecuencia fija ~35 kHz. De manera similar, bajo irradiación de luz visible, la degradación fotocatalítica se probó para nanocatalizadores ZnO y Mg:ZnO contra MBCF. En cada experimento, en 50 mL de colorante modelo, fotocatalizador (10 mg) se suspendió y la solución se colocó en oscuridad durante 10–15 min para alcanzar el equilibrio de adsorción-desorción. Luz visible (fotocatálisis—PCA), ultrasonido (sonocatálisis—SCA) y luz visible combinada con ultrasonicación (sonofotocatálisis—SPCA) se colocaron metódicamente bajo soluciones suspendidas. La suspensión de 3 mL se recogió durante la exposición para análisis de absorción a intervalos regulares. El constituyente de colorante resultante se observó determinando la diferencia en λ max = 670 nm de MBCF. La solución de color azul se desvaneció con el tiempo debido a la degradación de MBCF en presencia de nanocatalizadores. Finalmente, se evaluó el grado de degradación (Ct/Co), donde Ct es la concentración temporal de colorante y Co es la concentración inicial de colorante. El porcentaje de degradación para cada muestra también se calculó usando la ecuación, % Degradación = \(\frac{{\left( {Co - Ct} \right)}}{Co}\) × 100.

Aislamiento e Identificación de S. aureus y E. coli

Muestras de leche bovina con mastitis de campo fueron recolectadas de diferentes granjas. Las muestras incubadas (crecidas en agar sangre de oveja al 5%) se estriaron con MSA (agar sal de manitol) y MA (agar MacConkey) para S. aureus G+ y E. coli G-, respectivamente (pH ~ 7). Colonias características se identificaron mediante análisis bioquímico (pruebas de catalasa y coagulasa) y morfológico (tinción de Gram).

Actividad Antibacteriana

El rendimiento bactericida de las NRs sintetizadas se examinó en cepas bacterianas G- y G+ empleando el enfoque de difusión en pozo de agar mediante estriado de 1,5 × 10⁸ UFC/mL de S. aureus y E. coli aislados con MSA y MA, respectivamente. Pozos de 6 mm de diámetro se formaron usando un perforador de corcho estéril en platos Petri MSA y MA estriados. En comparación con control negativo (agua DI) y control positivo (ciprofloxacino), se usaron diferentes concentraciones de NRs Mg:ZnO (0,5 mg/50 μl) y (1,0 mg/50 μl). Los platos Petri con dosis se incubaron (37 °C) durante la noche, y el rendimiento antibacteriano de las NRs se registró midiendo el diámetro de las zonas de inhibición con calibre Vernier. Mediante análisis de varianza unidireccional (ANOVA) usando SPSS 20, la eficacia medida estadísticamente en términos de zonas de inhibición se consideró significativa.

Estudios de Acoplamiento Molecular

Los estudios in silico de acoplamiento molecular, siendo un enfoque efectivo para la identificación de características estructurales clave detrás de la actividad antibacteriana de NRs de ZnO dopadas, se emplearon para la predicción de su posible mecanismo. Las enzimas clave de la ruta biosintetica del folato, a saber, dihidrofolato reductasa (DHFR) y dihidropteroato sintasa (DHPS) junto con la enzima β-cetoacil-proteína transportadora de acilo sintasa III (FabH) de la ruta biosintetica de ácidos grasos, han sido reportadas como objetivos atractivos para el descubrimiento de antibióticos. Las características estructurales 3D de las enzimas seleccionadas se recuperaron del Protein Data Bank y prepararon usando herramienta de preparación de proteínas para el acoplamiento de NRs de ZnO dopadas con Mg dentro del sitio activo.

El código de acceso para los objetivos seleccionados fue: 2ANQ (DHFR_E.coli) [24], 5U0V (DHPS_E.coli) [25] y 4Z8D (FabH_E.coli) [26]. Los estudios de acoplamiento molecular se realizaron usando software ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [27] donde las estructuras de proteínas se optimizaron mediante herramienta de minimización de energía. Las moléculas de agua de la estructura cristalina junto con el ligando co-cristalizado se eliminaron seguido de la adición de H-atoms polares para la preparación de la estructura de proteína, y se usó una caja de rejilla para identificar el bolsillo activo. Finalmente, los complejos mejor acoplados se seleccionaron para análisis de interacción de unión para observar aminoácidos clave involucrados en la unión del ligando. Discovery studio visualizer y Pymol se usaron para análisis de complejos acoplados.

Resultados y Discusión

Las propiedades estructurales y constitución de fase de ZnO libre de dopante y dopado se evaluaron usando difracción de rayos X (Fig. 2a). Los picos observados en 31,7°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,6°, 62,9° y 68,0° pueden asignarse a planos de difracción (100), (002), (101), (102), (110), (103) y (112) que confirman que el ZnO tiene estructura hexagonal (JCPDS No. 361451) con grupo espacial P63mc. Dos picos reflejan impurezas de compuestos que comprenden zinc-carboxilo (marcados con flechas negras). Estos rastros de zinc-carboxilo podrían haber aparecido debido a la reacción del precursor de Zn con otros reactantes durante la síntesis [28]. El tamaño de cristalito del ZnO fue 26 nm estimado usando la fórmula de Scherrer, que se redujo gradualmente hasta 23 nm con una cantidad creciente de dopante (al 8% en peso). Para asegurar la adición exitosa de 'Mg' en la red huésped, se rastrearon tres posiciones de picos prominentes (100), (002) y (101) [23]. Se cree que los picos de ZnO se desplazan hacia 2θ alto tras dopación con Mg, mientras que varios estudios reportan una reducción gradual en el tamaño de cristalito con la adición de dopantes como Mg, Fe y Al al ZnO [29, 30]. Varios factores, incluyendo estrés de compresión causado por la diferencia en radios iónicos de Zn y dopante, obstrucción del crecimiento cristalino y/o generación de defectos en los cristales tras la dopación podrían suprimir el crecimiento del ZnO. El desplazamiento de picos observado para NRs de ZnO dopadas podría atribuirse a iones Mg que sustituyeron iones Zn debido a la diferencia de radios iónicos entre Mg²⁺ (0,57 Å) y Zn²⁺ (0,60 Å) [23, 29].

Los patrones SAED de ZnO dopado mostraron puntos brillantes debido a difracción de electrones. Cada punto se originó a partir de un conjunto de planos paralelos encontrados dentro de la estructura cristalina del producto sintetizado que afectó la condición de difracción de Bragg. Los índices de Miller se asignaron accordingly como se ve en la Fig. 2b–d. Los patrones se indexaron con planos (002), (100), (101) y (102) conectados a estructura hexagonal de ZnO con haz de electrones proyectando a lo largo del eje de zona [101] [31]. En general, la dirección anisotrópica de crecimiento del ZnO está determinada tanto por la energía libre interfacial como por el potencial de disolución en agua. La velocidad relativa de crecimiento de diferentes planos también controla el crecimiento.

El análisis FTIR se realizó para investigar la presencia de grupos funcionales, química superficial y modos de vibración para enlaces químicos existentes en las muestras (Fig. 2e). Bandas de 400 a 560 cm^-1 se designan a estiramiento de modos vibracionales Zn–O–Zn que han confirmado la formación de ZnO. Bandas de región de baja frecuencia/huella dactilar se atribuyen a vibraciones translacionales M–O (590, 670 cm⁻¹) y O–M–O (430 cm⁻¹) [33]. Con concentración creciente de Mg, no se observó cambio significativo en la banda de absorción de Zn-O e intensidad. La banda a 1651 cm^-1 corresponde a modo de estiramiento simétrico C=O que se intensifica mucho con el aumento del porcentaje de carga de nitrato de magnesio, mientras que la banda ~1362 cm^-1 corresponde a modo de estiramiento asimétrico C–O. El carbono de los materiales iniciales podría haberse incorporado inadvertidamente en las NRs, mientras que la aparición de banda de transmisión amplia en 3456 cm^-1 corresponde a estiramiento O–H de moléculas de agua adsorbidas en superficie [34].

Para comprobar el cambio en el comportamiento de absorción tras la dopación, se desplegó espectrometría UV-Vis para muestras dopadas y no dopadas. Los espectros de absorción UV-Vis de NRs sintetizadas se registraron en el rango 250 a 600 nm en función de la longitud de onda (Fig. 3a). Las muestras mostraron una absorción máxima alrededor de 370–395 nm, con un desplazamiento del borde de absorción hacia longitud de onda menor tras diferentes concentraciones de dopación. Este aumento en la absorción y desplazamiento tras la dopación se manifiesta en deficiencia de oxígeno, efecto de tamaño de partícula y defectos de estructura de grano [35]. Los valores extraídos de la Fig. 3a se usaron para calcular la banda óptica (Eg) del ZnO (usando gráfico de Tauc), que aumentó de 3,32 a 3,72 eV tras la dopación con Mg (Fig. 3b) [36, 37]. Este desplazamiento hacia el azul en Eg puede endosarse al fenómeno del efecto Burstein-Moss. En el método de óxido metálico, la reducción de tamaño de partícula se reporta que resulta en un desplazamiento hacia el azul de la banda prohibida debido al efecto de confinamiento cuántico (QCE). Sin embargo, QCE no es la única razón; la dopación también puede afectar la simetría local y generar centros de defectos de red que cambian la estructura de la banda e inducen desplazamientos significativos en propiedades ópticas [38]. Como se describió antes en análisis XRD, Mg dopado en ZnO genera vacancias de oxígeno en cristal huésped, que actúan como donantes en el sistema y se comportan como iones cargados positivamente liberando electrones a CB. Al exceder la concentración de portadores de electrones la densidad de estados en CB, el nivel de energía de Fermi se empuja hacia CB. La sustitución de Zn²⁺ en Mg²⁺ conduce al incremento en concentración de electrones y vacancia de oxígeno por diferencia de radios iónicos y electronegatividad de ambos materiales, y así, el aumento de densidad de portadores lleva a elevar el nivel de Fermi al CB semiconductor degenerado ya que ZnO es uno de los semiconductores más degenerados. Debido a esta acción, el nivel de Fermi y su posición dependen de la concentración de electrones libres y excitación de electrones de VB a nivel de Fermi, resultando en el incremento de densidad de electrones libres y ensanchamiento de la banda prohibida [39]. Este desplazamiento Burstein-Moss contribuye al ensanchamiento observado de Eg de NRs de ZnO dopadas con Mg.

El análisis PL es una herramienta valiosa para obtener mejor información sobre impurezas, transiciones y dopantes estudiando espectros de emisión. Los efectos de tamaño cuántico afectan las propiedades físicas de materiales semiconductores a nanoescala, como ZnO cambió su comportamiento óptico por aumento en confinamiento cuántico observado en PL [40]. Los espectros PL de diversas concentraciones de Mg incorporadas en ZnO se midieron con excitación λ~325 nm a temperatura ambiente (Fig. 3c). Para ZnO no dopado y dopado, se detectaron emisiones de nivel profundo amplio y cerca de banda. Todas las muestras mostraron un pico de emisión en la región UV, atribuido a recombinación de excitones. Los picos observados en la región visible aparecen debido a estados de defecto (donante), como vacancias de O₂-V_o, intersticiales de Zn-Zn_i, estados de defecto (aceptor) de vacancias de Zn-V_z e intersticiales de oxígeno-O_i [39]. La relación de intensidad de picos en región UV y visible se ve afectada mayormente por la calidad cristalina de materiales dopados, ya que la densidad de defectos disminuye con amplificación de cristalinidad. Las muestras demostraron picos de emisión alrededor de 408 nm atribuidos a transición de borde de banda cercano-NBE de ZnO [39]. Los picos encontrados en 408, 442, 467, 488 nm conducen a emisión azul y atribuibles a intersticiales de Zn tienen emisión violeta principal en 408 nm. Emisiones débiles observadas en 442, 467 y 488 nm son endosadas a recombinación de par donante-aceptor (D/A) que involucra diferentes niveles de defecto en muestras. La emisión en 488 nm se debe a electrones en vacancia de O₂ simplemente ionizada con huecos foto-excitados en VB [41]. La intensidad de emisión de nivel profundo amplio aumentó tras la dopación, mientras que los picos de emisión NBE se transfirieron a región de mayor energía. Este desplazamiento hacia el azul de emisión NBE podría interpretarse basándose en el efecto Burstein-Moss. El ZnO es material tipo n, y tras dopaje pesado, su nivel de Fermi se desplaza dentro de banda de conducción. Así, la absorción debe mostrar desplazamiento hacia el azul como propuso Burstein; regiones llenas bloquearían excitaciones ópticas o térmicas [42]. Se observó aumento en intensidad PL para muestras dopadas implicando eficiencia reducida de transferencia de electrones.

La dispersión Raman es una técnica sensible y no destructiva para examinar microestructura y analizar propiedades relacionadas con estados vibracionales de nanomateriales. El óxido de zinc wurtzita con celda primitiva conteniendo dos unidades de fórmula se coloca en grupo espacial C6ν. Los fonones ópticos presentes en celda primitiva en espacio recíproco se justifican de la relación irreducible: Гopt = 1A₁+2B₁+ E₁+2E₂ donde B₁ representa modos silenciosos Raman, mientras que A₁ y E₁ son modos polares (fuerzas Coulomb de largo alcance), que se dividen en fonones ópticos longitudinales (LO) y transversales (TO). Además, un modo de fonón de doble frecuencia E₂ (no polar), teniendo E₂ (bajo) y E₂ (alto), correspondió a sub-red de Zn y átomos de O₂ [43]. En espectros Raman, los picos que se desplazan hacia mayor y menor número de onda dependen de las longitudes de enlace variables entre moléculas. El aumento en longitud de enlace gobierna desplazamiento hacia bajo número de onda y viceversa. No se observaron picos de orden superior por encima de 1300 cm^-1 (Fig. 3d). Pico dominante observado en ~1069 cm^-1 representa modo E₂H (característico) de ZnO hexagonal [44]. Además, tres picos menores también se observaron alrededor de 436, 723 y 1386 cm⁻¹ que se originaron debido a fondo fluorescente alto. Además, el espectro Raman de ZnO dopado al 8% en peso se desplazó hacia el azul, atribuido a sustitución de Mg²⁺ con Zn²⁺ en red de ZnO que se cree juega papel en dinámica de red [45]. Usualmente, los desplazamientos de picos Raman ocurren por tres razones: efectos de confinamiento de fonones, tensión de red y vacancias de oxígeno. Los espectros adquiridos de XRD y espectroscopía Raman confirmaron que la estructura wurtzita-ZnO no se ve afectada por la incorporación de Mg; sin embargo, la calidad del cristal se reduce significativamente.

Para confirmación morfológica de ZnO no dopado y dopado, se realizó HR-TEM (Fig. 4a–e) para delinear morfología de varilla hexagonal de ZnO:Mg. Parece que Mg mostró papel de nucleación ya que crece con la dopación [39]. Los valores de espaciado intercapas d para ZnO no dopado y dopado se calcularon ~0,464, 0,183, 0,333, 0,27 y 0,232 nm en imágenes HR-TEM (Fig. 4a′–e′). Los valores de d-spacing concuerdan bien con planos obtenidos con análisis XRD. La ausencia de impurezas/fases secundarias sugiere incorporación adecuada de átomos dopantes en nanobarras de ZnO sin agrupamiento [46]. Además, el cambio en d-spacing se atribuyó a la incorporación de Mg en redes de ZnO.

El análisis elemental se realizó usando EDS para confirmar la presencia de zinc y oxígeno en nanopolvos de ZnO (Fig. 5a–e). La relación atómica media (67,6:23,6) confirmó cuantitativamente la formación de ZnO junto con el dopante. Picos de oro (Au) aparecen en espectros debido al recubrimiento de oro pulverizado sobre la muestra para reducir efecto de carga. Picos de Cu pueden originarse de la cinta de Cu usada con el porta-muestras. Algunos picos adicionales (Cl, Si) pueden indicar contaminación. El pico de Na puede haber originado del NaOH usado para mantener pH básico durante la síntesis. Sin embargo, el pico de Na se solapa con Zn, por lo que su presencia en la muestra no puede determinarse.

El proceso fotocatalítico involucra generación de pares electrón-hueco (e-, h+) con sucesiva separación y recombinación de electrones y huecos (Fig. 6), demostrando la siguiente reacción redox [35].

$$\begin{aligned} & {\text{ZnO}} + h\nu \to {\text{ZnO}}\,({\text{e}}_{{{\text{CB}}}} + {\text{h}}_{{{\text{VB}}}} ) \\ & {\text{e}}_{{{\text{CB}}}} + {\text{O}}_{2} \to {\text{O}}_{2}^{\cdot - } \\ & {\text{O}}_{2}^{\cdot - \,} + {\text{dye}}\,{\text{degraded}}\,{\text{products}} + {\text{CO}}_{2} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ & {\text{OH}}^{\cdot} + {\text{dye}}\,{\text{degraded}}\,{\text{products}} + {\text{CO}}_{2} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ \end{aligned}$$

Todas las muestras preparadas se evaluaron para sus actividades fotocatalítica, sonocatalítica y sonofotocatalítica contra MBCF como contaminante objetivo. Los perfiles de degradación del colorante MBCF fotocatalizado bajo irradiación UV por nanocatalizadores sintetizados se muestran en la Fig. 7a–c.

La cinética pseudo-primer orden basada en k (constante de velocidad) se determinó trazando curvas lineales de ln(Ct/Co), contra tiempo de exposición t. La constante de velocidad de degradación k para ZnO no dopado y dopado (2, 4, 6 y 8% en peso) se calculó en 0,00546, 0,00948, 0,00274, 0,00353 y 0,00336 min⁻¹, respectivamente (Fig. 7a). El ZnO dopado mostró mejor eficiencia fotocatalítica que ZnO puro con una degradación máxima del 26% para ZnO dopado (8% en peso) (Fig. 8a–c). Debido a la presencia de vacancias de oxígeno superficiales, el aumento de área superficial fue la explicación detrás de la mayor actividad fotocatalítica de ZnO dopado [35]. La transferencia foto-inducida de electrones en la CB de un semiconductor con huecos positivos dejados en VB es el mecanismo fundamental de fotocatálisis [15]. Hasta que los excitones son aniquilados, participan en reacciones redox con moléculas de colorante circundantes en la superficie de catalizadores, resultando en productos degradados. Los electrones foto-inducidos actúan como agente reductor fuerte, que interactúan con moléculas de O₂ circundantes para generar especies reactivas O₂^·−. Por otro lado, los huecos foto-inducidos actúan como agente oxidante fuerte que genera especies OH^· altamente reactivas a partir de grupos hidroxilo. Las especies radicales resultantes (O₂^·− y OH^·) interactúan con moléculas de colorante circundantes para degradarlas en productos no tóxicos o minerales.

Un enfoque alternativo para degradación eficiente de residuos orgánicos en agua es la sonocatálisis (SC) [15]. La influencia de ondas ultrasónicas en degradación de MBCF se estudió con ZnO no dopado y dopado (Fig. 7b). En términos de concentración de colorante MBCF, la degradación SC de MBCF por ZnO dopado siguió cinética pseudo-primer orden. Las constantes de velocidad de degradación de ZnO no dopado y dopado (2, 4, 6 y 8% en peso) fueron 0,02062, 0,01332, 0,00456, 0,00653 y 0,00204 min⁻¹, respectivamente. Varios estudios se reportaron recientemente sobre degradación de colorantes SC, basados en mecanismo de punto caliente y sonoluminiscencia, en presencia de diversos catalizadores. La formación de burbujas de cavitación en solución puede impulsarse creando puntos calientes a través de nucleación asimétrica de burbujas. Estos puntos calientes pueden desencadenar la formación de OH por moléculas de H₂O para pirólisis. El mecanismo sonquímico típicamente requiere sonólisis de agua, que es el disolvente bajo alta presión y temperatura dentro de burbujas de cavitación colapsantes. En solución de MBCF y nanocatalizador, las ondas ultrasónicas no solo causan sonólisis de agua, sino que también el catalizador se acopla para crear portadores de carga. Radicales OH y aniones superóxido ^·O²⁻ pueden generarse por pares electrón-hueco, que descomponen colorantes en especies no tóxicas [15, 47]. La sonofotocatálisis (SPC) también parece seguir cinética pseudo-primer orden, similar a fotocatálisis y sonocatálisis. Las constantes de velocidad de degradación para ZnO no dopado y dopado (2, 4, 6 y 8% en peso) fueron 0,00242, 0,04493, 0,1776, 0,01903 y 0,01883 min⁻¹, respectivamente (Fig. 7c). El rendimiento de degradación de ZnO dopado fue 12, 29, 53, 58 y 87%, respectivamente (Fig. 8c).

Estos resultados sugieren que la dopación juega un papel crucial en la eficiencia de la fotocatálisis de ZnO. En condiciones operativas idénticas, SPC tiene una tasa de degradación superior a los mecanismos individuales correspondientes. La constante de velocidad de reacción del proceso combinado es mayor que la suma de las constantes de velocidad de los procesos individuales, es decir, foto de Ksono > Kphoto + Ksono, lo que puede atribuirse a (i) aumento en producción de OH en mezcla, (ii) mayor transferencia de masa entre solución y superficie de catalizador, y (iii) actividad mejorada relacionada con desagregación por ultrasonido, en consecuencia mejorando el área superficial [15, 48]. Para estimar la reutilización y estabilidad de la muestra, la Fig. 9a indica que los interruptores fotocatalíticos apagan la degradación del colorante MBCF bajo condiciones similares tras experimentos de ciclado consecutivos (cuatro). Así, la eficiencia de degradación de la muestra se redujo de 82 a 75%. Aquí (Fig. 9b), hay cierta disminución de nanomaterial por centrifugado o lavado durante el experimento de reciclaje. Tras los resultados de reciclaje, se concluyó que el producto permanece estable y posee capacidad y aceptación notables para tratamiento de aguas residuales peligrosas. De cualquier modo, la Tabla 2 muestra la comparación de eficiencia de degradación fotocatalítica del presente trabajo con otros materiales reportados.

La acción bactericida in vitro de NRs de ZnO no dopado y dopado para bacterias G- y G+ se da en la Tabla 1. Los resultados muestran mejor sinergia y acción bactericida de ZnO dopado contra E. coli en contraste con S. aureus. Las zonas de inhibición se registraron como (1,05–2,05 mm) y (2,10–4,15 mm) para S. aureus y (0–6,15 mm) a (0–8,65 mm) para E. coli, respectivamente, mientras que ZnO mostró eficacia despreciable para E. coli comparado con S. aureus. Además, control + ve mostró zona de inhibición (9,00 mm) contra E. coli y S. aureus paralelo a control -ve (0 mm). En general, el ZnO dopado con Mg exhibió eficacia sustancial (P < 0,05) contra G- comparado con G+.

El estrés oxidativo inducido por ZnO dopado preparado depende de la concentración, forma y tamaño de NRs, mientras que el incremento en tamaño de NRs reduce la actividad antibacteriana. Las varillas nanosizadas generan especies de oxígeno (ROS) para producir membrana celular bacteriana como resultado de extrusión de contenido citoplásmico, lo que causa muerte bacteriana como se muestra en Fig. 10. Otro fenómeno posible involucra interacción fuerte entre membrana celular cargada negativamente y cationes (Mg²⁺ y Zn²⁺) que resulta en desmoronamiento de micro-patógenos [49].

La resistencia a fármacos se ha considerado como amenaza mayor para la humanidad, y hay necesidad continua de descubrimiento de antibióticos más compatibles. La actividad bactericida de NRs metálicos está bien documentada, y su papel como candidatos posibles para descubrimiento de nuevos antibióticos se ha sugerido previamente [50]. Los estudios in silico de acoplamiento molecular facilitan obtener información sobre el mecanismo detrás de su actividad antibacteriana. La dihidrofolato reductasa (DHFR) y la dihidropteroato sintasa (DHPS) pertenecientes a la ruta biosintetica del folato han sido reportadas como objetivos bien conocidos para fármacos trimetoprima y sulfonamidas, respectivamente [51, 52]. Aquí, evaluamos la tendencia de unión de NRs de ZnO dopadas con Mg contra enzimas DHFR, DHPS y FabH de E. coli. Los complejos acoplados revelaron su patrón de unión dentro del sitio activo y los sugirieron como posibles inhibidores contra objetivos enzimáticos seleccionados.