Capas finas de BiVO₄ para la fotodegradación de contaminantes orgánicos
El BiVO₄ aprovecha la luz visible para generar radicales que descomponen contaminantes orgánicos en agua.
La contaminación del agua representa una de las principales amenazas ambientales, provocando efectos nocivos tanto para la salud humana como para la biodiversidad. El aumento de industrias como la textil y el uso de productos químicos han intensificado la presencia de contaminantes en agua, siendo el Rodamina B (RhB) uno de los principales componentes de tintes empleados en la industria textil. Por ello, se emplea como sujeto de estudio para observar la efectividad del fotocatalizador de BiVO₄ desarrollado en el presente trabajo.
En este proyecto, se presenta la síntesis y el estudio de películas delgadas de BiVO₄ (vanadato de bismuto) como un nuevo método fotocatalítico para degradar contaminantes orgánicos en agua.
El BiVO₄ es un material semiconductor con una estructura de tipo scheelita monoclínica que, al recibir luz visible, produce especies reactivas de oxígeno (ROS), como el radical hidroxilo (OH•) y el superóxido (O₂ ̄•), que tienen la capacidad de descomponer compuestos orgánicos hasta llegar a convertirlos en productos no tóxicos como el CO₂ y el H₂O. Trabajar con este material, basado en el BiVO₄ tiene varias ventajas, especialmente su capacidad de aprovechar la luz solar, lo que lo convierte en una opción más sostenible y eficiente en comparación con otros métodos.
La síntesis del BiVO₄ se realizó mediante una técnica de spray pirólisis, utilizando precursores de bismuto Bi(NO₃)₃ (nitrato de bismuto (III)) y vanadio V (acac)₂ (acetilacetonato de vanadilo) en soluciones separadas de CH₃COOH (ácido acético) y EtOH (etanol) respectivamente, mezcladas y aplicadas en sustratos de vidrio a 500 °C, seguidas de una calcinación a 550 °C. Para mejorar la eficiencia fotocatalítica, se creó una heterounión de BiVO₄ y nitruro de carbono grafítico (g-C₃N₄), un material semiconductor p-tipo. Esta heterounión se formó mediante la aplicación de una tinta de g-C₃N₄ preparada a partir de melamina y nitrato de sodio, depositada en la superficie del BiVO₄ mediante la técnica del spin coating.
Se emplearon múltiples técnicas de caracterización, como la difracción de rayos X (XRD), la microscopía electrónica de barrido (SEM) y transmisión (TEM), la espectroscopía UV-Vis, FTIR, y el análisis termogravimétrico (TGA), para evaluar la calidad estructural y las propiedades fotocatalíticas de las películas delgadas. Los análisis XRD confirmaron la formación de la fase scheelita monoclínica del BiVO₄, la cual es fotocatalíticamente activa, y mostraron que la heterounión con g-C₃N₄ no altera su estructura cristalina. Además, SEM reveló variaciones en el espesor de las capas y la adherencia uniforme en el vidrio, lo cual es crucial para la durabilidad y efectividad del fotocatalizador en aplicaciones reales.
El estudio de la fotocatálisis se centró en la degradación de la RhB bajo irradiación de luz visible, donde el BiVO₄ absorbió la luz y generó pares de electrones y huecos, iniciando reacciones redox que produjeron los ROS necesarios para la degradación del contaminante. La presencia del g-C₃N₄ aumentó significativamente la eficiencia de la fotocatálisis, logrando una tasa de degradación del 91%, mientras que la degradación del RhB con únicamente BiVO₄ solo alcanzó un 60% bajo las mismas condiciones. Estos resultados se basan en la separación de cargas provocada por la heterounión con el g-C₃N₄, inhibiendo la recombinación de pares electrón-hueco y prolongando la vida útil de las ROS.
Este estudio concluye que las películas de BiVO₄ con heterouniones de g-C₃N₄ tienen un alto potencial para la fotodegradación de contaminantes orgánicos en agua. Además, el uso de luz visible para la activación del proceso, sumado a la capacidad de reciclaje del catalizador, convierte esta metodología en una alternativa atractiva y sostenible para el tratamiento de aguas contaminadas. En futuras investigaciones, sería interesante profundizar tanto en el estudio de la recuperación del catalizador así como en el estudio del reciclado del mismo y la aplicación de estas películas con capacidad de fotodegradación en diferentes materiales como cementos o cerámicas.
Graphical abstract
