Engineering of hybrid catalysts: photo-piezo catalysis based on BiFeO3/BiOCl nanosheets

Abstract

La catálisis es un proceso trascendental que ocupa un lugar fundamental en la síntesis química, la industria y en los procesos biológicos. En particular, la fotocatálisis es un proceso avanzado con un amplio campo de aplicación en la química verde, sin embargo, la eficacia de este proceso está limitada a la recombinación del par agujero-electrón fotogenerado en la superficie del catalizador. Por otro lado, la piezo catálisis tiene un alto grado de conversión de energía mecánica utilizada para la actividad catalítica. Si se combinan estas dos formas de catálisis, se espera una mayor eficiencia catalítica. El objetivo de este estudio es sintetizar un nuevo foto-piezo catalizador híbrido basado en BiFeO3 y BiOCl. El catalizador híbrido BiFeO3/BiOCl se obtuvo con alta pureza y rendimiento mediante síntesis hidrotérmica a partir de los precursores de bismuto. La composición química del catalizador híbrido se determinó mediante técnicas espectroscópicas como FTIR, XRD, EDS y XPS demostrando la presencia de Bi, Fe, O, y Cl en el material estable. El análisis morfológico se realizó con microscopías TEM y SEM, las micrografías muestra la presencia de estructuras nanométricas y micrométricas con morfologías intermedias a las observadas para los precursores de BiFeO3 y BiOCl. Se determinaron los band-gaps de 2,3 eV y 2,78 eV (UV-Vis) para BiFeO3 y BiOCl en el interior del material híbrido, respectivamente. La actividad foto-piezo catalítica del híbrido se determinó mediante ensayos de degradación de Rodamina B (UV-Vis) utilizando un foto reactor casero equipado con una lámpara de Xenón y un baño ultrasónico. Los ensayos de degradación con el catalizador híbrido BiFeO3/BiOCl demostraron la actividad sinérgica de la foto y la piezo estimulación, ya que la degradación de la rodamina alcanzó el 98%, mientras que con la piezo catálisis (BiFeO3) y la fotocatálisis (BiOCl) se alcanzó un 58% y un 89% de degradación respectivamente. Los ensayos con AgNO3, tert- butanol, 2-propanol y ácido fórmico demostraron que la catálisis de la degradación pasa por la producción de superóxido, ya que en el ensayo con tert-butanol se inhibió el 100% de la degradación de la rodamina. Finalmente, el material híbrido demostró una eficaz actividad antibacteriana frente a Escherichia coli. Esta capacidad sugiere su uso potencial en aplicaciones que requieren propiedades antimicrobianas, como la purificación del agua, los dispositivos médicos y los revestimientos, lo que contribuye a mejorar la salud y la seguridad.