Nano-láminas de Nitruro de Boro Dopadas con Bismuto: Rendimiento Electrónico y Óptico Mejorado desde Teoría y Experimento

Resumen

En el presente trabajo, nano-láminas de nitruro de boro (BN) se prepararon mediante exfoliación en fase líquida de BN en masa mientras varias proporciones en peso (2,5, 5, 7,5 y 10) de bismuto (Bi) se incorporaron como dopante usando técnica hidrotérmica. Nuestros hallazgos exhiben que la investigación óptica mostró espectros de absorción en región UV cercana. Cálculos de teoría de funcional de densidad indican que el dopaje con Bi ha llevado a varias modificaciones en las estructuras electrónicas de nano-lámina BN al inducir nuevos estados de banda prohibida localizados alrededor del nivel de Fermi. Se encontró que la energía de banda prohibida disminuye con el aumento de concentraciones de dopante Bi. Por tanto, en análisis de los espectros de absorción calculados, se observó un corrimiento al rojo en los bordes de absorción, consistente con la observación experimental. Además, nano-láminas BN huésped y dopadas con Bi se evaluaron por su potencial catalítico y antibacteriano. La actividad catalítica de nano-láminas BN libres de dopante y dopadas se evaluó valorando su rendimiento en proceso de reducción/degradación de colorante. La actividad bactericida de nano-láminas BN dopadas con Bi resultó en eficiencia mejorada medida en 0-33,8% y 43,4-60% contra S. aureus y 0-38,8% y 50,5-85,8% contra E. coli, respectivamente. Además, predicciones de acoplamiento molecular in silico estuvieron en buen acuerdo con actividad bactericida in vitro. Nano-láminas BN dopadas con Bi mostraron buen puntaje de unión contra DHFR de E. coli (-11,971 kcal/mol) y S. aureus (-8,526 kcal/mol) mientras que el puntaje de unión para girasa de ADN de E. coli (-6,782 kcal/mol) y S. aureus (-7,819 kcal/mol) sugirieron estas enzimas seleccionadas como posibles blancos.

Introducción

Diversos químicos, compuestos orgánicos y desechos industriales dan lugar a contaminación ambiental que resulta en consecuencias serias para vida humana, animal y acuática. Debido a esta razón, tecnologías innovadoras y ambientalmente amigables de tratamiento de aguas residuales están en demanda creciente. Millones de personas pierden la vida cada año debido a agua contaminada. Casi anualmente el uso de colorantes es ~10.000 en sectores industriales; entre ellos, una fuente prominente es azul de metileno (MB) usado 10-15% en la atmósfera y vida acuática. MB es un colorante anilina simple con fórmula molecular C₁₆H₁₈N₃SCl ampliamente usado para teñir algodón, lana y seda así como tratar metahemoglobinemia y envenenamiento por cianuro. Lo usan biólogos para teñir muestras de tejido y detectar ácidos nucleicos. Sin embargo, este colorante tiene varios efectos negativos tanto en humanos como en vida silvestre. Como resultado, remover colorantes de drenajes es importante para el bienestar de humanos y vida acuática.

Métodos convencionales usados para eliminación de diversos contaminantes del agua incluyen precipitación, electrólisis, floculación, fotocatálisis, filtración por membrana, intercambio iónico, adsorción, ósmosis inversa y tratamiento biológico. En estos métodos, la actividad catalítica (CA) se usa ampliamente debido a su enfoque rentable y ambientalmente sostenible. CA comprende agente reductor y nanocatalizador que es la muestra preparada para degradar colorante sintético como MB que es parte del presente estudio.

Requisitos crecientes para purificar aguas residuales han llevado al desarrollo y uso de una nueva clase de nanomateriales conocidos como materiales bidimensionales (2D-Mats). El uso de estos materiales fue impulsado por el descubrimiento de grafeno. Actualmente, una variedad de 2D-Mats se ha sintetizado incluyendo disulfuro de molibdeno (MoS₂) y MXene (2D-Mats Dirac). El nitruro de boro se considera una clase prometedora de MXene. Nano-láminas BN poseen varias propiedades interesantes incluyendo rendimiento dieléctrico, estabilidad química y térmica, ultravioleta profundo y energía de banda prohibida directa haciéndolo adecuado para uso en variedad de aplicaciones especialmente para tratamiento de agua y actividades antimicrobianas también. Para realizar estas tareas, estrategias ricas en bismuto o dopaje con diferentes elementos de metales de transición (ej. Bi) son las metodologías más accesibles. Bi tiene una apariencia extraordinaria comparada con otras mostrando color gris-blanco con tinte rojizo (mancha rosada). Bi forma compuestos químicos en estados de oxidación +3 y +5. Compuestos de Bi se usan como nanocatalizador para tratamiento de aguas residuales y también es un buen agente antimicrobiano cuando se usa como dopante en 2D-Mats como BN como se discutió arriba.

Además de lo anterior, nano-láminas BN también pueden utilizarse en sector biomédico como agente antimicrobiano con objetivo de proteger contra diversas bacterias. La mastitis se distingue por alteraciones fisicoquímicas y patobiológicas en tejidos parenquimatosos de ubre, conteniendo efectos económicos directos mundiales. Humanos están en alto riesgo de sufrir enfermedades zoonóticas como leptospirosis, faringitis estreptocócica, brucelosis y tuberculosis debido a consumo de leche mastítica. Generalmente, agentes etiológicos infecciosos que involucran bacterias y virus se categorizan en dos clases. La primera categoría incluye Staphylococcus aureus (S. aureus), Coliform, Corynebacterium, Streptococci y Escherichia coli (E. coli). La segunda categoría comprende Corynebacterium bovis y estafilococos coagulasa-negativos. Entre estos, más prominente es Staphylococcus aureus resistente a meticilina (MRSA) ya que contribuye a gran número de muertes mundiales. Resistencia a antibióticos ha emergido en bacterias patógenas Gram-positivas y Gram-negativas, representando riesgo serio para salud humana. Además, enfermedad diarreica causada por presencia de bacterias E. coli en agua resulta en 1,3 millones de muertes de niños menores de cinco años anualmente. Siendo un agente antibacteriano, BN protege de estos patógenos dañinos. Debido a la biocompatibilidad de Bi, la síntesis y uso de Bi en diversas formas como sales de Bi, NPs y nanomateriales como antimicrobianos ha recibido gran atención. Infecciones causadas por Helicobacter pylori (H. pylori) se tratan actualmente con mezcla de sales orgánicas de Bi y antibióticos. El estrés oxidativo creado por nanoestructura depende de su tamaño, concentración y forma ya que nanoestructuras de pequeño tamaño producen especies reactivas de oxígeno (ROS) que se unen más eficientemente dentro de membrana bacteriana dentro de implantes resultando en extrusión de contenidos citoplasmáticos y dañando ADN bacteriano, proteínas y enzimas. Además de producción de ROS, la fuerte interfaz catiónica de nanoestructuras con partes de membrana celular bacteriana cargadas negativamente resulta en actividad bactericida superior a altas concentraciones fomentando colapso de célula bacteriana.

En el presente estudio, nano-láminas BN se prepararon con técnica de exfoliación química mientras bismuto (Bi) se incorporó como dopante usando técnica hidrotérmica. CA del material sintetizado se determinó en términos de reducción de MB dañino. Además, actividad antibacteriana se evaluó contra E. coli y S. aureus. Para identificar posible mecanismo de acción, se realizaron estudios de acoplamiento molecular de nano-láminas BN dopadas con Bi contra enzima dihidrofolato reductasa (DHFR) de ruta biosintetica de folato junto con girasa de ADN de ruta biosintetica de ácido nucleico pertenecientes a tanto E. coli como S. aureus. Cálculos de teoría de funcional de densidad de primeros principios se realizaron para calcular la estructura de estabilidad, propiedades electrónicas y ópticas de nano-lámina BN prístina y dopada con Bi.

Métodos

El estudio actual fue impacto de nano-láminas BN dopadas con Bi en propiedades electrónicas y ópticas usando cálculos teóricos y experimentos: degradación de colorante, comportamiento anti-bactericida y análisis de acoplamiento molecular.

Detalles Experimentales

Polvo BN en masa (98%), dimetilformamida (DMF) se adquirieron de Sigma-Aldrich, Alemania. Nitrato de bismuto pentahidratado Bi(NO₃)₃·5H₂O (98%) de suministros de laboratorio BDH Poole, Reino Unido. Todos los químicos recibidos se utilizaron sin tratamiento de purificación.

Para producir nano-láminas BN, se realizó exfoliación en fase líquida de BN en masa. 200 mg de polvo BN en masa se disolvió en DMF (50 ml) y se agitó durante 15 min. Posteriormente, la solución disuelta se ultrasonificó durante 12 h a 50 °C como se ilustra en Fig. 1a. Esta suspensión ultrasonificada se centrifugó a 3500 rpm durante 20 min. Nano-láminas recolectadas se doparon con Bi usando nitrato de bismuto pentahidratado Bi(NO₃)₃·5H₂O como fuente de Bi usando método hidrotérmico. Varias concentraciones de dopante Bi (2,5, 5, 7,5 y 10% en peso) se agregaron en nano-láminas BN por separado en proporciones fijas (0,025:1, 0,05:1, 0,075:1 y 0,1:1) en un recipiente de teflón y se transfirieron a autoclave por 12 h a 200 °C como se muestra en Fig. 1b. Después, el autoclave se enfrió y el producto obtenido se lavó repetidamente usando agentes de limpieza como etanol y agua desionizada para eliminar impurezas, y la solución se secó a 100 °C en horno de vacío.

Las atracciones de Van der Waals son las fuerzas predominantes entre las capas apiladas de nitruro de boro en masa. Estas interacciones de Van der Waals deben superarse para exfoliar capas apiladas. Esto se realizó usando intercalación de solvente orgánico en capas seguido de introducción de fuerzas mecánicas alcanzadas desde ultra-bañador sónico. Los solventes cuya tensión superficial coincide con la de nitruro de boro son los solventes ideales para buena dispersión de nitruro de boro en masa, ya que minimizan la tensión interfacial entre el solvente y nitruro de boro. Por eso adoptamos DMF ya que su tensión superficial coincide con grafeno (37,1 m J m⁻²) y BN es análogo a grafeno por lo que es un solvente bastante adecuado para dispersar nano-láminas de nitruro de boro.

Las radiaciones ultrasónicas viajan a través del medio, las moléculas de solvente comprimen y estiran es decir, comienzan a oscilar alrededor de sus posiciones medias resultando en desarrollo de regiones de alta presión que pueden llamarse compresión y regiones de presión negativa como estiramiento. Cuando la presión negativa no es lo suficientemente grande para mantener moléculas de líquido intactas, entonces ocurre ruptura del líquido formando vacíos (burbujas de cavitación). Estas burbujas de cavitación colapsarán violentamente en regiones de alta presión y se comportarán como micro-reactores, produciendo temperatura local de varios miles de grados y alta presión de varias cientos de atmósferas lo cual es suficiente para superar las fuerzas atractivas inter-láminas y por tanto induce exfoliación.

Actividad Catalítica

El potencial catalítico se evaluó llevando a cabo degradación de colorante MB en presencia de borohidruro de sodio (NaBH₄) que sirve como agente reductor. Primero, una cantidad apropiada de colorante y reductor se diluyó en agua desionizada para preparar una solución acuosa. El experimento catalítico se realizó utilizando todas las muestras preparadas como nanocatalizador. La degradación de colorante se midió agregando solución NaBH₄ (600 μl) a MB (10 ml) en una celda de cuarzo. Vale la pena mencionar aquí que NaBH₄ es incapaz de degradar el colorante, por tanto sirve solo como agente reductor. Además, cada catalizador (4 mg) se agregó por separado en una solución precursora para investigar eficiencia catalítica para degradación de colorante. La reducción de colorante se midió tomando espectros de absorción en rango 450-750 nm con espectrofotómetro UV-vis. En este sentido, la decoloración de azul de metileno se considera indicación de degradación exitosa de colorante. Ilustración esquemática de actividad realizada con BN puro y varias concentraciones de dopaje se muestra en Fig. 1c. La ilustración del lado izquierdo significa actividad realizada mientras que la derecha muestra concentración de degradación concerniente al tiempo después de tomar espectros de absorción con espectroscopía UV-Vis.

Actividad Antimicrobiana

La evaluación in-vitro del potencial antimicrobiano de nano-láminas BN dopadas con Bi se logró mediante método de difusión en pozo extendiendo 1,5 × 10⁸ UFC/mL de aislamientos bacterianos G+ve y -ve en MSA y MA, respectivamente como se muestra en Archivo adicional 1: Fig. S1. Varias proporciones de nano-láminas BN dopadas con Bi (500 μg/50 μl) y (1000 μg/50 μl) se inocularon como dosis baja y alta en pozos (6 mm) en placas MSA y MA Archivo adicional 1: Fig. S1. Ciprofloxacino (5 μg/50 μl) y ADI (50 μl) se etiquetaron como controles positivo (+ve) y negativo (-ve). La evaluación anti-bacteriana se comprobó mediante mediciones de zonas de inhibición (mm) usando calibrador Vernier después de incubación nocturna de platos Petri a 37 °C.

Caracterización de Materiales

Difractómetro de rayos X (XRD) de Bruker (D₂ Phaser, EE. UU.) equipado con Cu-Kα (λ = 0,154 nm) se usó con ángulo de difracción (2θ) rango de 10° a 60° con velocidad de barrido 0,05/min para determinar características estructurales del material sintetizado. Espectroscopía de transformada de Fourier infrarroja (FTIR) (espectrómetro Perkin Elmer) con precisión de número de onda dentro de ±0,01 cm⁻¹ se empleó para delinear huellas dactilares IR. Propiedades ópticas se evaluaron usando GENESYS-10S UV-Vis con velocidad de barrido 5 nm/s y rango de espectros de absorción 200-800 nm y estudio de fotoluminiscencia se realizó con espectrofluorómetro JASCO FP-8200 con velocidad de barrido 10 nm/s. Morfología de superficie y microestructura se estudiaron usando microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM modelo JSM 6460LV) acoplado con espectrómetro de rayos X dispersivos en energía (EDS) y microscopio electrónico de transmisión de alta resolución JEOL JEM 2100F (HR-TEM).

Detalles Computacionales

Nuestro cálculo de primeros principios se realizó por marco integral de DFT como implementado en software QuantumATK usando enfoque de combinación lineal de orbitales atómicos (LCAO). El funcional de intercambio-correlación se realizó por Perdew, Burke, Ernzerhof (PBE) conectado con aproximación de gradiente generalizada (GGA). El pseudopotencial PseudoDojo que conserva la norma se empleó para describir la interacción entre electrones e iones, y los electrones de valencia. La región de Brillouin se realizó empleando cuadrícula especial de k-puntos Monkhorst-Pack de 4 × 4 × 1 para relajación estructural y 7 × 7 × 1 para cálculos de propiedades electrónicas. El cálculo de campo autoconsistente (SCF) tomó en cuenta un límite de tolerancia de 10⁻⁶ Ha para convergencia de energía. La estructura geométrica y relajaciones iónicas se realizaron usando algoritmo de memoria limitada Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (LBFGS), incluyendo la fuerza en cada átomo menor a 0,05 eV/Å. Debido al fuerte efecto relativista por la presencia de dopante Bi pesado, la contribución de acoplamiento espín-orbital (SOC) se consideró en el cálculo de las estructuras electrónicas.

Resultados y Discusión

Estructura y Propiedades Electrónicas

XRD se empleó para investigar identificación de fase, cristalinidad y planos cristalográficos de control y nano-láminas BN dopadas con Bi como se ilustra en Fig. 2a. Las reflexiones XRD identificadas en valores 2θ de ~26,9°, 41,3°, 43,46° y 50,2° fueron indexadas respectivamente como planos cristalográficos (002), (100), (101) y (102). Planos cristalográficos detectados armonizaron bien con espectro estándar (referencia JCPDS #00-034-0421). Nitidez e intensidad de pico sugieren formación de capas finas BN y apilamiento débil de NS en dirección c preferida. Desplazamiento de pico concerniente al ángulo de difracción fue detectado en reflexiones XRD, sugiriendo incorporación de dopante. Espaciado intercapas (d-valor) de reflexión característica (d₀₀₂) se encontró ~0,34 nm evaluado mediante ley de Bragg (nλ = 2d senθ) y correlaciona bien con resultados HR-TEM (ver Archivo adicional 1: Fig. S4). Este valor d del plano correspondiente se caracteriza por características significativas pertenecientes a propiedades de adsorción y transporte molecular de BN que sirve para mejorar su rendimiento catalítico. Perfiles SAED correspondientes de BN puro representados en Fig. 2b consisten de anillos circulares brillantes que indican alta cristalinidad de muestra. Estos anillos detectados concuerdan bien con patrones XRD y datos estándar. La morfología de superficie del material sintetizado se exploró usando FESEM y se confirmóさらに mediante análisis HR-TEM. El espaciado intercapas se evaluó con software Gatan digital micrograph usando imágenes HR-TEM, que se encontró consistente con resultados XRD. La pureza del producto preparado se determinó analizando composición elemental mediante espectroscopía EDS como se ilustra en Archivo adicional 1: Figs. S5 y S6.

FTIR se empleó para investigar huellas dactilares IR de nano-láminas BN huésped y dopadas con Bi como se muestra en Fig. 2c. Los espectros obtenidos muestran dos picos característicos originados de BN a 750 y 1365 cm⁻¹ que pueden atribuirse a B-N-B (vibraciones de flexión) así como B-N (vibración de estiramiento). Estos picos centrales están relacionados con modo A₂u (fuera del plano) así como modo E₁u (en el plano). Como se mencionó, modo A₂u es un modo fuera del plano que corresponde a energía de 96,4 meV, mientras que E₁u corresponde a modos en el plano que se dividenさらに en dos modos: primero modo óptico longitudinal de E₁u^TO y segundo modo óptico transversal E₁u^LO con energías de 169,4 y 199,6 meV respectivamente, debido a interacciones de Coulomb de largo alcance como señalaron Michel y Verberck. En su trabajo, compararon dos relaciones de dispersión de fonones calculadas sin y con fuerza de Coulomb de largo alcance, respectivamente. El cambio entre los dos cálculos corresponde a división LO-TO. Debido a interacción de Coulomb que rompe el campo de simetría en BN llevando a dividir los fonones ópticos longitudinales y transversales. Una ilustración esquemática de estos modos se muestra en Fig. 2c. Un pico adicional detectado a 1170 cm⁻¹ se asocia con vibración de estiramiento de oxinitruro de boro (N-B-O). Banda ancha a 3433 cm⁻¹ corresponde a vibración de estiramiento O-H.

La espectroscopía PL se usó para confirmar la migración, transferencia y recombinación de excitones en muestras como se muestra en Fig. 2d. Los espectros extraídos se marcaron con longitud de onda de excitación λ_ex = 390 nm y correspondiente longitud de onda de emisión λ_em = 420 nm. Dado que materiales nanoestructurados son relativamente sensibles a longitud de onda de excitación, los espectros de emisión se basan en el valor de λ_ex. Los espectros PL de nano-láminas BN sin dopar y dopadas con Bi mostraron picos asimétricos localizados en ~420 nm en adelante. Estos picos asimétricos detectados en espectros PL sugieren la existencia de especies luminiscentes y/o multi-fluoróforos. Estudios de literatura sugieren que la presencia de especies como boro-oxígeno se considera centros de luminiscencia novedosos en sistema BN. Luminiscencia encontrada alrededor de 460 nm representa comienzo de transición electrónica. Esta transición electrónica involucra transición individual/mutua entre estados 2p de bandas BN. La excitación de un electrón (e⁻) de banda de valencia a banda de conducción sirve para mejorar intensidad de luminiscencia y energía de luz de excitación. Esta transición a 460 nm corresponde a pico de energía en ~2,7 eV. Vale mencionar que las muestras se prepararon mediante misma cantidad, tasas de crecimiento, así como duraciones etc., pero la ligera diferencia en intensidades de todas las muestras para espectros PL puede atribuirse a menos dominios h-BN por unidad de área que participan en luminiscencia. La máxima recombinación y separaciones de excitones corresponden a picos más intensos y menos intensos en espectros PL respectivamente.

Las propiedades ópticas de nano-láminas BN huésped y dopadas con Bi se determinaron mediante espectros de absorción obtenidos usando espectroscopía UV-Vis. La aparición de absorción en región UV cercana se observó como se ilustra en Fig. 3a. La absorción máxima para nano-láminas BN puras se detectó alrededor de 200 nm que se conoce como región UV cercana que corresponde a energía de banda prohibida de ~5,85 eV. Con la incorporación de Bi, el borde de absorción máximo se mueve hacia longitud de onda mayor que indica corrimiento al rojo en espectros ópticos que causa reducción de energía de banda prohibida. La energía de banda prohibida se estimó usando ecuación de Tauc representada en Eq. 1. Gráfico de Tauc como se muestra en Fig. 3b representa que la energía de banda prohibida se reduce hasta 4,65 eV. Además, no se detectó absorción adicional hacia nivel de energía inferior o superior para muestras puras, 2,5 y 5% dopadas con Bi, sugiriendo existencia de defectos estructurales densos. Mientras que para muestras dopadas con Bi 7,5 y 10% se observa absorción muy menor alrededor de 330 que también se verifica y explica en análisis de espectros de absorción óptica simulados (ver Fig. 6). Según literatura, BN en masa exhibe energía de banda prohibida de 5,2-5,4 eV mientras que nano-láminas bi/multicapa poseen energía de banda prohibida de 5,56-5,92 eV. Estas observaciones sugieren que nano-láminas BN preparadas poseen configuración bi/multicapa. Energía de banda prohibida de todas las muestras mostrada en Fig. 3b y estimada mediante Ec. Tauc (1) se expresa como sigue:

$$\alpha h\nu = {K\left(h\nu - {E}_{g}\right)}^{n}$$ (1)

En la ecuación anterior, α indica coeficiente de absorción igual a α = log(T/d) donde T es transmisión y d es longitud de camino. Además, valor de exponente (n) está asociado con naturaleza electrónica de E_g y corresponde a transiciones directas permitidas (1/2), transiciones indirectas permitidas (2), transiciones directas prohibidas (3/2) y transiciones indirectas prohibidas (3), respectivamente. Sin embargo, datos de transición permiten mejor ajuste lineal en área de borde de banda si n = 1/2. E_g se mide característicamente evaluando (αhν)^1/n vs hν. Tendencia lineal adquirida de Ec. 1 se modela como tangente del gráfico cerca del punto de región de pendiente máxima. Aquí, hν igual a energía de fotón (E), K es índice de absorción y E_g es energía de banda prohibida (eV).

Estos hallazgos experimentales son respaldados por cálculos DFT basados en primeros principios. El modelo de monocapas BN sin dopar y dopadas con Bi se construye usando método de supercelda con condiciones de frontera periódicas. Una supercelda 7 × 7 se usó para monocapas BN prístinas y dopadas con Bi para asegurar interacción mínima de Bi con sus imágenes vecinas. Una capa de vacío de 15 Å se usó a lo largo de la dirección perpendicular al plano de la monocapa. Las concentraciones de dopante de 2,04%, 4,08% y 6,1% se modelaron sustituyendo uno, dos y tres átomos de Bi en la supercelda de monocapa BN en sitios B, como se muestra en Archivo adicional 1: Fig. S6. Para examinar la estabilidad de dopante Bi con diferentes concentraciones, estimamos las energías de enlace usando las siguientes ecuaciones:

$${E}_{\mathrm{b}}={E}_{\mathrm{supercell}}-{E}_{\mathrm{V}}-{E}_{\mathrm{TM}}$$ (2)

donde E_supercell, E_V y E_TM se refieren a la energía total del BN dopado, material huésped con vacancia de catión y átomo de metal aislado. Se encuentra que el valor de E_b para diferentes concentraciones de dopante cambia fuertemente de -4,0 a -7,71 eV.

Para explorar el impacto de dopantes Bi en el cambio de estructuras electrónicas y comportamiento óptico, calculamos las estructuras de bandas electrónicas y densidad de estados (DOS) incluyendo contribución SOC de monocapa BN dopada con Bi con diferentes concentraciones así como monocapa BN prístina para comparación, como se muestra en Figs. 5 y 6. Se ve que BN prístina tiene energía de banda prohibida directa de magnitud 4,69 eV en punto K, como se muestra en Fig. 4a, que es más consistente con valor experimental medido (5,85 eV). Además, nuestro valor calculado de energía de banda prohibida está en excelente acuerdo con trabajos teóricos previos. Este valor de energía de banda prohibida indica que monocapa BN es un aislante. Según los gráficos de DOS de lo prístino de Fig. 5a, el máximo de banda de valencia está caracterizado principalmente por estados N 2p mientras que el mínimo de banda de conducción está controlado principalmente por estados B 2p no ocupados. Al introducir un dopante Bi con nivel de dopaje 2,04%, se forman dos nuevos estados de banda prohibida localizados alrededor del nivel de Fermi, como se muestra en Fig. 4b, en la cual la banda inferior está ocupada mientras que la banda superior está no ocupada. Por tanto, el máximo de banda de valencia se ha desplazado hacia abajo en la banda de valencia reduciendo la energía de banda prohibida. Además, la característica principal del máximo de banda de valencia y mínimo de banda de conducción es similar a la de monocapa BN pura. La aparición de bandas de impureza divide la energía de banda prohibida en tres regiones de sub-banda prohibida con anchos 3,39, 1,83 y 0,643 eV. El análisis de DOS parciales (ver Fig. 5b) revela que los estados de banda prohibida ocupados están construidos principalmente a partir de estados Bi 6s mezclados con estados N 2p mientras que los estados de banda prohibida no ocupados se deben principalmente a estados Bi 6p con pequeña contribución de estados N 2p. En el caso de dos átomos Bi dopando en monocapa BN, la estructura de bandas presenta un desplazamiento hacia abajo relativamente mayor de la banda de conducción. Se nota que el número de bandas de dopante aumentan causandoさらに reducción en energía de banda prohibida. El resultado es que monocapa BN dopada con Bi exhibe caracteres típicos de semiconductor tipo n. Se sigue de Fig. 4c que cuatro estados de banda prohibida han sido introducidos alrededor del nivel de Fermi. Los dos niveles de dopante más bajos están ocupados y localizados aproximadamente 0,57 y 0,21 eV por debajo del nivel de Fermi. Los otros dos estados de banda prohibida están no ocupados y situados a 0,40 y 0,80 eV por encima del nivel de Fermi. Sin embargo, el PDOS en Fig. 5c muestra una gran parte de hibridación entre estados Bi 6s y N 2p para dos picos pequeños y una gran contribución de estados Bi 6p con pequeña contribución de estados N 2p para dos picos altos. Con concentración de dopaje de Bi aumentando a 6,1%, se observa que más estados de impureza han sido introducidos alrededor del nivel de Fermi reduciendo la banda prohibida, como se muestra en Fig. 4d. Las bandas de impureza con estados de banda prohibida de menor energía ocurren a 0,36 eV mientras que las bandas de impureza con estados de banda prohibida de mayor energía se localizan a 0,61 eV por encima del nivel de Fermi. Del gráfico de DOS parcial (ver Fig. 5d), se puede percibir para dopaje de Bi en BN a concentración de 6,1% que la característica principal de bandas de impureza por debajo y por encima del nivel de Fermi es similar a la de BN dopado con Bi con x = 4,08% con algún solapamiento entre bandas de impureza por debajo y por encima del nivel de Fermi.

Los coeficientes de absorción de monocapas BN prístinas y dopadas con Bi se calculan y grafican en Fig. 6. Se observa un corrimiento al rojo del borde de absorción con el aumento de concentración de dopaje Bi. En concentración de dopante Bi de 2,04%, el borde de absorción muestra un corrimiento al rojo de ~10 nm comparado con monocapa BN prístina. Este pequeño corrimiento al rojo puede aparecer de la ligera disminución de energía de banda prohibida y está en acuerdo razonable con corrimiento al rojo experimental de 20 nm para dopaje de Bi en nano-lámina BN. Cuando la concentración de incorporación de Bi sube a 4,08% y 6,10%, el borde de absorción principal tiene un corrimiento al rojo mayor de ~22 nm y 40 nm comparado con monocapa BN sin dopar. Esto también resulta del estrechamiento de energía de banda prohibida, que conduce a reproducir la observación experimental (ver Fig. 3a). Se observa que otro pico de absorción muy pequeño alrededor de 330 nm ha aparecido con el aumento de concentración de incorporación de Bi. Estoさらに corre al rojo el borde de absorción de la monocapa BN dopada con Bi a un valor de longitud de onda de 345 nm (o energía de 3,60 eV), lo que significa la mejora de la capacidad catalítica.

Actividad Catalítica

Resultados de experimentos para evaluar rendimiento de actividad catalítica del material sintetizado se representan utilizando espectros UV-Vis dependientes del tiempo. Se observó que la incorporación de reductor en una solución acuosa de colorante fue incapaz de degradarlo ya que solo se logró ~7% de reducción de colorante. Adición de Bi-dopado en nano-láminas BN (nanocatalizador), el porcentaje de degradación se mejora efectivamente. Nano-láminas BN puras muestran 45% reducción de colorante en 35 min mientras BN dopado con varias concentraciones (2,5, 5, 7,5 y 10% en peso) de Bi exhiben reducción de colorante mejorada con progreso rápido.

En general, el catalizador reduce la energía de activación de una reacción lo que a su vez causa acelerar su estabilidad y velocidad de reacción. MB es principalmente un colorante sintético que se explota en agua durante varios procesos industriales. MB puede reducirse en presencia de reductor sin embargo el proceso de reducción es relativamente lento en presencia de solo NaBH₄. Nano-láminas BN huésped exhiben gran área superficial específica que causa aumento de tasa de adsorción. Además, una capa de reductor dispersada sobre nanocatalizadores también puede acelerar adsorción debido a la reacción redox entre catalizador y MB. La reacción de reducción por un catalizador ocurre transfiriendo un electrón de especie donante BH₄⁻ (de NaBH₄) a especie aceptora MB facilitado por nano-láminas BN puras y dopadas con Bi. Esto resultó en reducir energía de activación que sirve para estabilizar y acelerar la velocidad de la reacción. El mecanismo de actividad catalítica se ha representado en Archivo adicional 1: Fig. S7b. La degradación de colorante de varias concentraciones dopadas (2,5, 5, 7,5 y 10% en peso) fue 61, 67, 85 y 94% en 24, 17, 11 y 7 min, respectivamente como se ilustra en Fig. 7. La comparación del experimento presente con literatura se representa en Tabla 1.

El aumento en la eficiencia de actividad catalítica se debe al aumento en concentración de Bi. Como el porcentaje de degradación corresponde directamente a la transferencia de electrones desde agente reductor hacia MB facilitado por nanocatalizador. Nano-láminas BN dopadas con Bi causan aumentar la velocidad de reacción reduciendo su energía de activación que a su vez facilita transferencia de electrón más rápidamente hacia MB. Gráfico de C_t/C_o como función de tiempo representa reducción de colorante de todas las muestras como se ilustra en Fig. 7a donde C_t representa concentración de MB en cualquier tiempo dado mientras C_o corresponde a concentración inicial. La Figura 9b exhibe porcentaje de degradación de catalizadores estimado mediante Ec. 3.

$$\mathrm{Degradación }(\mathrm{\%}) =\frac{Co-Ct}{Co}\times 100$$ (3)

Varios factores que influyen la actividad catalítica y afectan el rendimiento de catalizadores se discuten a continuación.

Valor de pH

En catálisis (actividad catalítica), la velocidad de reacción tiene fuerte correlación con valor de pH. En general, un valor de pH extremadamente bajo o alto no puede contribuir a degradación de colorante. Estudios de literatura de actividad catalítica usando agentes reductores demuestran que la velocidad de reacción en condiciones básicas es más favorable para degradación máxima. En el presente estudio, el valor de pH en el que se alcanzó la degradación máxima fue 8,4, que correlaciona favorablemente con literatura citada. Además, materiales como nano-láminas BN controlan carga de superficie y dominan la posible interacción electrostática entre contaminante y material. Por tanto, el valor de pH de la solución tiene enlace directo con el proceso de remoción de contaminantes mediante control de la posible interacción electrostática entre el contaminante y adsorbente.

Estabilidad

La estabilidad del catalizador se investigó en el presente estudio permitiendo que el experimento realizado permanezca al menos tres días para examinar si la reducción de colorante realizada en presencia de nanocatalizador es estable o no. En este sentido, el colorante degradado se mantuvo en oscuridad y después de cada 24 h, la degradación se inspeccionó con ayuda de espectros de absorción adquiridos mediante espectrofotómetro UV-Vis, como se ilustra en Fig. 7c. Los resultados obtenidos indican que no ocurrió pérdida de degradación en condición de reposo por 72 h. La degradación se observó en su forma bastante original lo que afirma la estabilidad del catalizador.

Reutilización

La reutilización del catalizador se refiere a la capacidad de reciclaje del catalizador que permite su uso más de una vez. Típicamente, catalizadores con el mayor número de ciclos reutilizables se consideran los más eficientes. En el experimento actual, la reutilización se sondeó reciclando catalizador 10% en peso hasta tres ciclos. Los resultados obtenidos se presentan en Fig. 7d, lo que indica que catalizador BN dopado con Bi puede utilizarse como catalizador reutilizable efectivo.

Carga del Catalizador

Por último, la carga del catalizador antes del experimento y después de tres veces de reciclaje se encontró. La carga del catalizador antes de realizar actividad fue 4 mg, después de tres veces de reciclaje se midió como 3,7 mg, considerando 5% de desviación de detección/sensado. Los resultados indicaron que BN dopado con Bi actúa como el catalizador más estable, reutilizable y más eficiente para degradación de colorante. Además, una carga de catalizador después de tres días de prueba de estabilidad también se realizó que indica resultado casi mismo (3,6 mg) como realizado después del proceso de reciclaje.

Actividad Bactericida

La actividad bactericida in-vitro de BN, Bi₂O₃ y nano-láminas BN dopadas con Bi para bacterias Gram +ve y Gram -ve se muestran con presentaciones gráficas en Figs. 8 y 9 (a-n). Los hallazgos indican acción bactericida superior con sinergismo de nano-láminas BN dopadas con Bi contra E. coli comparado con S. aureus como se muestra en Figs. 8 y 9 (a-j). BN y Bi₂O₃ a bajas concentraciones mostraron eficiencia nula contra bacterias G +ve y -ve. A altas concentraciones, BN mostró (0,35 mm) y (0,45 mm) inhibición y similarmente, Bi₂O₃ mostró (0,55 mm) y (0,75 mm) zona de inhibición contra G +ve y -ve respectivamente Figs. 8 y 9 (a, b, h-i). Zonas de inhibición significativas (P < 0,05) se detallaron como (0-2,45 mm) y (3,15-4,35 mm) para S. aureus y (0-1,65 mm) y (2,15-3,65 mm) para E. coli a dosis baja y alta, respectivamente Figs. 8 y 9 (c-f, j-m). El porcentaje de eficiencia (% edad) aumentó de (0-33,8%) y (43,4-60%) contra S. aureus y (0-38,8%) y (50,5-85,8%) contra E. coli, respectivamente. Ciprofloxacino usado como control positivo redujo (7,25 mm) y (4,25 mm) crecimiento G+ve y -ve, respectivamente en comparación con ADI (0 mm). Generalmente, nano-láminas BN dopadas 2,5% en peso mostraron eficiencias cero contra bacterias Gram +ve y -ve a dosis baja mientras, otras nano-láminas dopadas mostraron actividad antibacteriana significativa (P < 0,05) contra Gram -ve comparado a Gram +ve como se muestra en Figs. 8 y 9 (c-f, j-m).

El estrés oxidativo formado por nano-láminas depende de su tamaño, forma y concentración. La actividad antibacteriana con zonas de inhibición (mm) aumentó con mayor dopaje en peso de Bi en BN debido a mayor disponibilidad catiónica. La actividad antibacteriana dependiendo de tamaño y concentración exhibió relación inversa al tamaño de NS dopadas. La generación de ROS se considera factor peligroso mayor para la destrucción de micropatógenos. NS de pequeño tamaño producen especies reactivas de oxígeno (ROS) que permanecen más reales dentro de membrana bacteriana dentro de implantes resultando en extrusión de contenidos citoplasmáticos y dañando ADN bacteriano, proteínas y enzimas, matando así bacterias como se ilustra en Archivo adicional 1: Fig. S7 (a). Tras irradiación, NPs activan transferencia de e⁻ de banda de valencia a banda de conducción para reacciones de reducción generando huecos (h⁺) que, finalmente transfieren a banda de valencia para oxidación. El proceso de reducción genera O₂⁻. por reacción de e⁻ con O₂. Los huecos (h⁺) vía proceso de oxidación generan OH mediante reacción con e⁻ de agua (H₂O) o iones hidroxilo (OH⁻). Las intensas especies radicales de oxígeno reactivo OH reaccionan rápidamente con biomoléculas de micropatógenos es decir, proteínas, carbohidratos, ADN, lípidos y aminoácidos como se muestra en Archivo adicional 1: Fig. S7 (a). Compuestos de bismuto son famosos por acción antibacteriana muy efectiva acoplada con baja toxicidad ambiental. En segundo lugar, la fuerte interfaz catiónica de Bi³⁺ con partes de membrana celular bacteriana cargadas negativamente califica en acción antibacteriana aumentada a altas concentraciones provocando colapso bacteriano.

La enzima que cataliza pasos clave de varias reacciones bioquímicas necesarias para supervivencia bacteriana representa blancos atractivos para descubrimiento de antibióticos. Estudios de acoplamiento molecular para predecir tendencia de inhibición de nanopartículas contra blancos de enzimas seleccionados son de suma importancia para descubrimiento de nuevos antibióticos. El mecanismo de inhibición enzimática se representa en Archivo adicional 1: Fig. S7 (c) mostrando bloqueo del sitio activo de enzima que impide acceso de sustrato y interrumpe actividad catalítica del blanco de enzima dado causando muerte bacteriana.

Aunque literatura extensa se reporta sobre potencial biológico de nanomateriales particularmente, actividad bactericida aún mecanismo claro de su acción no se conoce. Nanomateriales muestran su actividad antibacteriana ya sea mediante ruptura de pared celular o pueden apuntar a enzimas clave de varias vías esenciales para supervivencia bacteriana (ver Archivo adicional 1: Fig. S7). Identificar su blanco es de gran importancia y puede contribuir hacia descubrimiento de nuevos antibióticos con un nuevo modo de acción. Aquí, blancos de enzimas de dos antibióticos bien conocidos es decir, Rifampicina (síntesis de ácido nucleico) y Trimetoprima (ruta biosintética de folato) se han seleccionado para evaluar tendencia de unión, patrón de interacción de unión y mecanismo inhibitorio de nano-láminas BN dopadas con Bi detrás de su actividad antibacteriana.

En caso de DHFR de E. coli, la conformación mejor acoplada mostró interacción de enlace de hidrógeno con Ile14 (2,68 Å) e Ile94 (2,27 Å) junto con interacción de contacto metálico con Tyr100 teniendo puntaje de unión como -11,971 kcal/mol (Fig. 10a). Similarmente, interacción de enlace de hidrógeno con Thr46 (2,19 Å) y contacto metálico con Leu20 se observó en caso de DHFR de S. aureus teniendo puntaje de unión -8,526 kcal/mol como se muestra en Fig. 10b.

Para girasa de ADN de E. coli, el mejor puntaje de unión observado fue -6,782 kcal/mol teniendo interacción de enlace de hidrógeno con Asp73 (2,22 Å) como se muestra en Fig. 11a mientras en caso de girasa de ADN de S. aureus interacciones de enlace de hidrógeno se observaron con Asp81 (2,12 Å y 2,68 Å) junto con interacción de contacto metálico con Ile175 teniendo puntaje de unión -7,819 kcal/mol (Fig. 11b).

Conclusión

Nano-láminas BN se prepararon exitosamente mediante exfoliación en fase líquida de BN en masa mientras Bi se incorporó como dopante vía enfoque hidrotérmico. Varias propiedades del material sintetizado se estudiaron usando varios enfoques de caracterización que armonizan bien con literatura. Patrones XRD indicaron la presencia de fase hexagonal de BN con desplazamiento de pico a mayor ángulo de difracción, autentificando incorporación exitosa de dopante. Espectros FTIR afirman la presencia de vibraciones de flexión B-N en plano y estiramiento B-N-B fuera del plano, que corresponden a la presencia de modos E₁u y A₂u infrarrojos activos de BN. La presencia de banda de luminiscencia se afirmó mediante análisis PL mientras espectroscopía UV-Vis indica la ocurrencia de absorción en región UV cercana. Exámenes morfológicos se estudiaron mediante FESEM y micrografías HR-TEM indicaron morfología tipo lámina con decoración de Bi sobre nano-láminas, significando un procedimiento de dopaje efectivo. El espaciado intercapas estimado mediante imágenes HR-TEM con ayuda de software Gatan digital micrograph corresponde bien con XRD; mientras espectros EDS mostraron señales fuertes originadas de tanto material puro como dopante. Los resultados de optimización del cálculo de primeros principios revelan que Bi puede sustituirse y ser estable en nano-láminas BN con diferentes concentraciones. Bandas de impureza debido a átomos Bi introducen una absorción de sub-banda prohibida en la región de energía de banda prohibida electrónica que podría aumentar la actividad catalítica. La investigación de degradación de colorante mediante experimentos CA resultó en un proceso eficiente y rápido. Además, nano-láminas BN puras y dopadas sirven como nanocatalizador estable, reutilizable y destacado para tratamiento de aguas residuales. Además, eficiencia antimicrobiana de nano-láminas BN dopadas contra S. aureus y E. coli aislados directamente de leche mastítica de cabra resultó en valores cuantitativos significativos. Predicciones in silico contra blancos de enzimas seleccionados es decir, DHFR y girasa de ADN de E. coli y S. aureus estuvieron en buen acuerdo con actividad bactericida in-vitro, abriendo así un nuevo horizonte para el uso de nanomateriales dopados como agentes potenciales para procedimientos antimicrobianos y CA. Cálculos teóricos están en buen acuerdo con valores experimentales. Estudio teórico indica que dopaje sustitucional de Bi con diferentes concentraciones es estable. Además, el dopaje con Bi llevó a varias modificaciones en las estructuras electrónicas de nano-láminas BN al inducir nuevos estados de banda prohibida localizados alrededor del nivel de Fermi. Finalmente, sobre estos resultados, se puede concluir que nano-láminas BN dopadas con Bi es un material adecuado para utilizar en aplicaciones industriales de aguas residuales y tratamiento antimicrobiano.