Eliminación eficaz del contaminante cristal violeta a través de la foto.

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7723 (2023) Citar este artículo

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El proceso foto-Fenton es un método apropiado del Proceso de Oxidación Avanzada que se utiliza en la fotocatálisis de colorantes orgánicos como el cristal violeta (CV). Los nanopolvos de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 (x = 0,1, 0,2, 0,3 y 0,5) de óxido de circonio y gadolinio sustituidos con iones La3+ se han preparado con éxito mediante el método de autocombustión sol-gel para su uso en la fotocatálisis eficiente. de CV con proceso foto-Fenton. El defecto de fluorita bien cristalizado, estructurado con un grupo espacial: Fm-3m, se detectó mediante análisis de difracción de rayos X. Se encontró que los parámetros de la red aumentaban con la concentración de iones La3+ evaluada. El tamaño de grano de los polvos sintetizados aumentó con el aumento del contenido de iones La3+. Los patrones SAED representan fluorita estructurada con fluorita. ultravioleta/visible El espectrofotómetro se utilizó para determinar la energía de banda prohibida de los nanopolvos de Gd(2−x)La(x)Zr2O7, que aumentó al aumentar el contenido de iones La3+. Se encontró que aumentaba de 4 a 3,6 eV. El espectrofotómetro visible se utilizó para determinar concentraciones desconocidas durante el proceso de fotocatálisis para asegurar la efectividad del proceso. En general, los resultados ilustran que la reacción de foto-Fenton en Gd(2−x)La(x)Zr2O7 se desempeñó de manera excelente en la eliminación del cristal violeta (CV). La relación de fotorremediación de CV alcanzó el 90% en 1 h.

Los sectores del papel, textil, cuero, plástico, galvanoplastia, procesamiento de alimentos, farmacéutico y agrícola son solo algunas de las industrias que han visto un aumento en el comercio en el período contemporáneo1,2. Debido a que estos sectores producen productos de alta calidad, son importantes para la sociedad en su conjunto. La mayoría de las operaciones industriales se basan en tintes orgánicos para teñir sus productos y luego descargan estos colores en acuíferos de agua dulce, como arroyos y ríos, que finalmente desembocan en el mar3,4,5.

Estos tintes han estado allí durante mucho tiempo, y no solo están dañando gravemente a casi todo tipo de vida, sino que también están alterando el equilibrio natural6,7. Alrededor del 20% de estos colores se vierten al medio ambiente como efluentes, dañando la ecología. Estos contaminantes son extremadamente difíciles de descomponer debido a su estructura estable8,9. Además, estos contaminantes pueden provocar problemas importantes en las personas, como irritación ocular, alergias en la piel, mutaciones genéticas y problemas hepáticos10,11,12.

Uno de estos tintes peligrosos, conocido como cristal violeta (CV), se utiliza en una variedad de productos fabricados por Gram, incluidos fertilizantes, detergentes, agentes bacteriostáticos, colorantes para cuero y detergentes. Es un carcinógeno potente para las criaturas marinas. Además, la CV destruye los cromosomas, lo que genera serios problemas cuando las células lesionadas se dividen. Además, el tinte CV se clasifica como tinte catiónico de trifenilmetano que se utiliza en los sectores de tintes textiles y de papel. Varios productos, incluidos fertilizantes, anticongelantes, detergentes y cuero, también se tiñen con esta técnica. Como tinción histológica, también se utiliza CV, sobre todo en la tinción de Gram para clasificar las bacterias13,14.

La perturbación de la vida acuática y la contaminación del agua son causadas por el vertido de colorantes en las aguas residuales15. Como resultado, se requiere un método adecuado y eficiente para el tratamiento de aguas residuales que contengan colorantes, como CV16, debido a la capacidad comprobada del colorante para causar cáncer y otras mutaciones tanto en personas como en animales17 y humanos. Los oxidantes y coagulantes tradicionales, así como la biodegradación, la coagulación, la adsorción y la deposición física resultaron insuficientes para el tratamiento de la CV18,19.

Por otro lado, mejores oxidantes, catálisis de microondas, fotocatálisis, tecnología de membranas y procesos de oxidación avanzada (AOP) parecen prometedores para la decoloración de CV20,21,22. El defecto fundamental del tratamiento físico es que simplemente mueve los tintes de una forma líquida a una sólida, que es difícil de limpiar. Como resultado, para degradar tales contaminantes, el tratamiento químico que emplea AOP, particularmente la fotocatálisis heterogénea, ha despertado interés 23.

Según Wang et al.24, los óxidos metálicos en AOP heterogéneos producen potentes radicales hidroxilo no selectivos (HO•) que descomponen una variedad de contaminantes orgánicos en ácidos alifáticos de cadena corta, que pueden eliminarse más fácilmente25. En luz ultravioleta-visible, el proceso de par electrón-hueco es necesario para introducir moléculas orgánicas intermedias que puedan mineralizarse completamente en la superficie del óxido metálico, produciendo productos finales verdes. Dado que la luz visible es menos costosa que la luz ultravioleta desde una perspectiva económica, se ha estudiado ampliamente cómo responden a ella los nuevos fotocatalizadores de tamaño nanométrico.

En trabajos anteriores se introdujeron muchos materiales en el proceso de fotocatálisis de colorantes contenidos en aguas residuales. Se han utilizado nanoesferas de TiO2, NP de ZnO dopadas con Mn y cubiertas con PVP, Bi2O3 dopado con Ti modificado con Ag, NPS de ZnS, nanocompuestos de CeO2-TiO2, nanocompuestos de AgBr-ZnO y alginato de sodio/ZnO/óxido de grafeno injertados para decolorar CV26. Liu et al.27 utilizaron PM-Fe/Ni/H2O2 en la degradación de cristal violeta con una reacción tipo Fenton mediante una reacción tipo Fenton. Oladipo et al.28 prepararon CdS de nanopartículas de cadmio recubiertas con octadecilamina para ser utilizadas en el proceso de fotodegradación de CV. Messaoudi et al.29 también prepararon ZnO/CNA para la degradación de CV y muchos materiales se utilizan para la degradación de CV, así como otros colorantes orgánicos.

A continuación se evaluará el desempeño de los óxidos antes mencionados y se contrastarán los resultados de la presente investigación. En este trabajo, se discutió la incorporación de lantano con Gd2Zr2O7 para mejorar el valor de la brecha de energía para que sea apropiado para el proceso de fotocatálisis, especialmente por el método tipo Fenton. La razón por la que elegimos el pirocloro es su buena capacidad en la fotodegradación de colorantes orgánicos debido a su composición química que lo distingue de otros compuestos. Esta característica lo califica para ser un buen fotocatalizador. Dado que antes se usaban muchos tipos de pirocloro en los procesos de análisis, usamos pirocloro con nuevos elementos Gd(2−x)La(x)Zr2O7 que tienen características distintivas que los hacen compatibles con el propósito de la fotocatálisis. Gd(2−x)La(x)Zr2O7 también se distinguen de otros por más características y eso asegura la novedad de este trabajo.

Para comprender en profundidad las fascinantes características del pirocloro, debemos conocer su clasificación y composición. Los óxidos estructurados con pirocloro ofrecen una amplia gama de composiciones que conducen a características y aplicaciones sobresalientes en superconductividad, recubrimientos de barrera térmica, luminiscencia y ferromagnetismo. El pirocloro tiene la fórmula general A2B2O6O (A = Y o tierra rara; B = Ti, Zr, Hf, Sn, Tc o Pb)30. La estructura de pirocloro es una variante de superestructura de la estructura de fluorita simple (AO2 = A4O8, con los cationes A y B dispuestos a lo largo de la dirección 110). La vacante de anión adicional se encuentra en el intersticio tetraédrico entre dos cationes del sitio B. La frustración geométrica y los nuevos efectos magnéticos son particularmente vulnerables en estos sistemas. Los aisladores electrónicos (p. ej., La2Zr2O7), los conductores iónicos (p. ej., Gd1.9Ca0.1Ti2O6.9), los conductores iónicos y electrónicos mixtos, los sistemas de espín de hielo (Dy2Ti2O7), los sistemas de espín de vidrio (Y2Mo2O7) y los sistemas de cadena Haldane (Tl2Ru2O7) son entre las propiedades físicas de la estructura de pirocloro (Cd2Re2O7). También se han investigado estructuras más desordenadas, como los pirocloros de bismuto, debido a sus fascinantes propiedades dieléctricas de alta frecuencia.

Curiosamente, aquí los circonatos de tierras raras con la fórmula Ln2Zr2O7 (Ln = La–Gd) corresponden al tipo estructural pirocloro, que a su vez pertenece a la serie homóloga de fluorita. La estructura de pirocloro, como se la conoce, es una variante de la estructura de fluorita en la que se elimina 1/8 del oxígeno y las vacantes de oxígeno están algo ordenadas31,32,33. En consecuencia, se consideró el efecto del Gd2Zr2O7 sustituido con La3+ sobre los parámetros estructurales, el tamaño de los cristalitos, la microestructura y las propiedades ópticas. Mientras tanto, CV fue seleccionado como el modelo de contaminante orgánico elicitado objetivo para probar el rendimiento de foto-Fenton de nanopartículas de Gd2Zr2O7 sustituidas con La3+.

Los materiales utilizados en el proceso de preparación incluyen nitrato de gadolinio hexahidratado Gd(NO3)3. 6H2O suministrado por Alfa Aesar Co., así como oxicloruro de circonilo octahidratado ZrOCl2.8H2O de Alpha Chemika Co. y ácido tartárico COOH(CHOH)2COOH de Lanxess Co.

La técnica de autocombustión sol-gel se utilizará para crear nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7, donde x es igual a (0,1, 02, 0,3 y 0,5). Después de mezclar, se disolvieron ZrOCl2.8H2O y GdH12N3O15 en 40 ml de agua destilada en una relación molar 1:1. Se agregará a la mezcla ácido tartárico, que funciona como combustible, en un calentador a 350 °C hasta que se forme un sol-gel. Siguiendo esto. El sol-gel se secará en estufa a 100 °C durante 24 h. Finalmente, la muestra seca se cocerá en un horno a 1100 °C durante dos horas para generar nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

La composición de fase, la cristalinidad, el tamaño de los cristalitos y los parámetros estructurales de las diferentes muestras con radiación Cu Kα se establecieron con base en los patrones de difracción del difractómetro de rayos X (Philips PW 1390). El espectrofotómetro Nicolet iS 10 de Thermo Scientific se utiliza con frecuencia para medir los espectros de absorción de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) de muestras preparadas a temperatura ambiente, que oscilan entre 4000 y 400 cm−1. La muestra analizada se creó mediante el procedimiento de compresión, que implicó mezclar 200 mg de KBr y 2 mg de muestras de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 en polvo para crear un disco transparente. La técnica de espectrofotometría UV/Vis/Near IR (un Jasco V770, Japón) es la tecnología que se utiliza para investigar las propiedades ópticas y la brecha de energía óptica. La microestructura de las partículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 se inspeccionó mediante microscopía electrónica de transmisión (Jeol JEM-1011, Japón).

En la parte visible del espectro electromagnético, el cristal violeta tiene una gran banda de absorción (591 nm). A pesar de su uso en los sectores textil, culinario y cosmético, el tinte CV puede dañar los ambientes acuáticos.

Como se muestra en la Fig. 1, utilizando nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 como modelo, se eligió como contaminante orgánico objetivo para estudiar cómo se degradaba en presencia de radiación UV. Los experimentos de oxidación fotocatalítica se llevaron a cabo en un vaso de precipitados de 100 ml montado en un agitador magnético y expuesto a dos lámparas UV paralelas de 36 vatios sobre el vaso de precipitados, que estaba alojado en una lámina con paredes interiores plateadas. Para asegurar una dispersión uniforme del fotocatalizador y facilitar el establecimiento de un equilibrio adsorción-desorción, el catalizador se introdujo en un vaso de precipitados que contenía 50 mL de una solución acuosa de CV (10 ppm). Se añadió al recipiente de reacción una solución de H2O2 al 33 % en 1 ml. Se pensó que la reacción había comenzado con la adición de H2O2. A intervalos regulares durante el procedimiento, se extrajeron alícuotas líquidas del recipiente (15 min). Se centrifugó el líquido antes del análisis. Las soluciones líquidas se analizaron usando un espectrofotómetro visible después de las reacciones. Sobre la base de la tasa de degradación del tinte orgánico, se llevaron a cabo investigaciones cinéticas. Los procesos de degradación de las moléculas de tinte podrían expresarse de la siguiente manera utilizando el modelo de Langmuir-Hinshelwood, que adopta que la degradación del tinte sigue una cinética de pseudo primer orden:

Representación gráfica del proceso de fotocatálisis de CV usando nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

La integración de esta ecuación produce la siguiente relación, con la restricción de que C = Co en t = 0, donde Co es la concentración inicial en la solución a granel después de la adsorción oscura y t es el tiempo de reacción.

En esta ecuación, Ao representa la absorbancia inicial del colorante y T representa la absorbancia del colorante en el tiempo t. t es la cantidad de tiempo que el tinte estuvo expuesto a la luz y Kapp es la constante de velocidad de reacción aparente. La pendiente de los gráficos lineales en un gráfico de − ln[At/A0] frente al tiempo debe ser igual a la constante de velocidad de primer orden aparente (Kapp). Los valores de Kapp muestran la rapidez con la que los materiales fotocatalizadores descomponen las moléculas de CV en presencia de H2O2 y luz visible. La eficiencia de eliminación de CV (η) se determinó de la siguiente manera:

Beer-law Lambert establece que la absorbancia del tinte es proporcional a su concentración de tinte CV.

El trabajo enviado es original y no se ha publicado en ningún otro lugar en ninguna forma o idioma (parcial o en su totalidad). Todos los autores estuvieron de acuerdo con el contenido que todos dieron su consentimiento explícito para enviar y que obtuvieron el consentimiento de las autoridades responsables del instituto/organización donde se realizó el trabajo.

El patrón de difracción de rayos X de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 fabricado en base a una ruta de autocombustión sol-gel con ácido tartárico como combustible y recocido a 1100 °C durante 2 h se muestra en la Fig. 2. Los amplios picos de difracción asociados con (111), (200), (220), (311) y (222) reflejos del Gd2Zr2O7 estructurado con fluorita de defecto con grupo espacial: Fm-3 m (PDF#80–0471) a 2θ = 29,41°, se detectaron 34,12°, 48,90°, 58,26° y 61,18° y estos resultados están en buena concordancia con otras investigaciones34,35. Sin embargo, no se encontraron las superestructuras de pirocloro en 111 (14°), 311 (28°), 331 (37°) y 511 (45°) (grupo espacial: Fd-3 m). Debido a la proximidad de la estructura Gd2Zr2O7 al borde geométrico de la transición pirocloro-fluorita (RGd/RZr = 1,46), el orden del 100 % no se reconoce y se atribuye a la inversión atómica. El movimiento del 10% de los átomos de oxígeno desde los sitios O1 a los sitios O3 inicialmente desocupados es lo que causa el desorden en la subred de oxígeno.

DRX de nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7, Gd2Zr2O7 (JCPD01-080–0471(c)).

El material preparado a base de circonato de óxido de tierras raras es principalmente. Tiene una estructura cristalina de pirocloro o fluorita. Pirocloros generados a partir de (La1-xGdx)2Zr2O7, si la estructura cristalina se explica usando La2Zr2O7 como ejemplo, el catión La3+ está en una posición cristalográfica específica, 16c (0, 0, 0) (A), Zr4+ El catión ocupa los sitios 16d ( 1/2, 1/2, 1/2) (sitios B), en el plano (001), alternativamente en la dirección [110] y en la dirección [−110]. Una red ordenada en la que los cationes de A y B están dispuestos en una estructura de fila. Para el ion de oxígeno, hay dos 48f. posiciones.

donde la longitud de onda del objetivo de Cu es 1,5406 nm, dRX es el tamaño del cristalito, k = 0,9 es un factor de corrección para tener en cuenta las morfologías de las partículas, FWHM es el ancho total a la mitad del máximo y es el ángulo de Bragg. Como se muestra en la Tabla 1, se descubrió que el promedio era 27,75 nm en x = 0,1, 38,525 nm en x = 0,2, 40,76 nm en x = 0,3 y 30,85 en x = 0,5. Usando la ecuación de Bragg, a = dhkl \(\sqrt{{h}^{2}+{k}^{2}+{I}^{2}}\), el parámetro de red (a) del Gd sintetizado( Se estimaron los polvos de 2−x)La(x)Zr2O7. d representa el espacio interplanar del pico de difracción primario.

Hay propiedades similares entre La y Gd para ser sustituyentes entre sí. La estructura electrónica para ambos respectivamente, [Xe] 5d1 6s2 y [Xe] 4f7 5d1 6s2. Los radios atómicos son, respectivamente, 195 y 233 pm. Por lo tanto, los resultados del tamaño de cristalito en nm y los parámetros de Lattice para Gd(2−x)La(x)Zr2O7 son muy razonables.

Los espectros FT-IR de la muestra sintetizada se muestran en la Fig. 3. Debe observarse que el pico de absorción entre los números de onda 1640 cm−1 y 3425 cm−1 está relacionado con la flexión y vibración del OH en el agua atribuible al agua que ha sido absorbido de la atmósfera34. Las bandas de absorción en 547 y 1425 cm−1 son causadas por vibraciones de Gd–O. El pico reconocible a 715 cm-1 se correlaciona con las vibraciones relacionadas con el estiramiento Zr-O-Zr. La vibración de estiramiento del enlace M–O (M=Zr–Gd) produce un pico distintivo en 847 y 666 cm−1. Los picos en 1505, 1398 y 1080 cm−1 están asociados con vibraciones Zr-OH35.

FTIR de nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

La superficie de fractura de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 donde x = 0.1 y 0.5, se distingue usando imágenes TEM presentadas en la Fig. 4. La tasa de crecimiento del grano aumentó con la concentración de iones La3+ evaluada. El grano muestra una estructura cúbica con cierto grado de aglomeración. El tamaño de partícula aumentó de 20 a 50 nm con un aumento adicional de los iones La3+. Tales resultados pueden explicarse sobre la base del cambio de radio iónico entre los iones La3+ y Gd3+. Los patrones de difracción SAED indicados en la Fig. 4 estaban de acuerdo con una estructura de fluorita estructurada con defecto de fluorita.

Micrografías TEM de nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

La figura 5 indica el patrón de difracción de electrones de las nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 que prueba los resultados de los rayos X y ambos prueban las características cristalinas de las muestras preparadas.

Patrón de difracción de electrones de nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

La brecha de banda óptica de los fósforos Gd(2−x)La(x)Zr2O7 es idéntica a la de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 según la teoría de Kubelka-Munk y la reflectancia espectral UV-Vis difusa Fig. 6 ilustra el espectro de reflectancia difusa de la muestra.

Espectro de reflectancia difusa de nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7.

A partir de la medida de UV/Vis. análisis, se observa un aumento en los espectros de absorbancia del agua contaminada (soluciones de cristal violeta) con el aumento del tiempo de purificación. La función Kubelka-Munk (K-M) se utiliza para transformar los espectros de reflectancia en espectros de absorción comparables, como se muestra en la Fig. 7.

Diagrama de Kubelka-Munk de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 puro.

Las descripciones de las siguientes ecuaciones, que se obtuvieron de la literatura para el cálculo de Eg, indican el tipo de transición que se tuvo en cuenta.

n = 2 para una transición indirecta permitida (graficada como h)1/2 frente a E), n = 3 para una transición indirecta prohibida (graficada como h)1/3 versus E), n = 3/2 para una directa prohibida transición, y n = 1/2 para una transición permitida directa. (Por ejemplo, significa la brecha de banda (eV), h la constante de Planck (Js), B la constante de absorción, v la frecuencia de la luz (s−1) y (α) el coeficiente de extinción, que es proporcional a F. (R) El mejor ajuste lineal en los espectros de absorción se puede usar para calcular experimentalmente el valor n para una transición particular usando varias fórmulas.

Por debajo de la banda de conducción, que alcanzó el máximo de la banda de valencia, se observaron los estados de Gd d. Los estados La d de La2Zr2O7 están conectados a los estados Gd d que se extienden en la dirección de la brecha de banda. En el sistema Gd16Zr16O56, la banda de valencia la aportan principalmente los estados O p, mientras que la banda de conducción la producen los estados Zr d. Los estados Gd d tienen un acoplamiento parcial a las bandas de valencia y conducción y una apariencia de banda prohibida parcial. Variaciones de conductividad térmica de La2Zr2O7 y Gd2Zr2O7 con concentraciones variables de La/Gd36.

La Figura 8 ilustra la curva de calibración final utilizada para calcular la concentración de soluciones de cristal violeta durante el proceso de purificación utilizando la información sobre la absorbancia dependiente de la longitud de onda de las soluciones (591 nm).

Curva de calibración de soluciones de cristal violeta.

La ecuación concluida es:

Según el examen de las medidas del espectrofotómetro visible, los espectros de absorbancia del agua contaminada (soluciones de cristal violeta) aumentan a medida que aumenta el tiempo de purificación. A partir de la solución de Cristal Violeta se generaron concentraciones conocidas de 1, 2, 3,… y 10 ppm. Al usar un espectrofotómetro visible para medir su espectro de absorbancia, se creó una curva de calibración para esas concentraciones y luego se desarrolló una ecuación para usar su absorbancia para calcular las cantidades desconocidas que se derivarían del procedimiento de purificación, como se muestra en la Fig. 9.

Absorbancia de una solución de 10 ppm de cristal violeta después del tratamiento con (a)H2O2 solo, 0,05 g de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 sin H2O2 donde (c) x = 0,1, (g) x = 0,2, (k ) x = 0,3, (o) = 0,5, también con H2O2 donde (e) = 0,1, (i) = 0,2, (m) = 0,3, (q) = 0,5 y (b–r) son concentraciones de conversión C/C0 versus tiempo para el proceso de degradación donde (s) es la cifra de datos combinados.

Se sometió a una prueba de fotocatalizador utilizando solución de cristal violeta (10 ppm) con intervalos de 15 min entre 0 y 90 min. Las nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 se utilizaron como catalizador para la reacción similar a la de Fenton para purificar mediante la exposición a una solución de peróxido de hidrógeno (32 vatios). Se han llevado a cabo diferentes investigaciones con muchos materiales para la decoloración del cristal violeta por fotodegradación o incluso una reacción tipo Fenton como se muestra en la Tabla 3 y las nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 demostraron una gran eficiencia en comparación con estos materiales.

Vale la pena señalar que Gd(2−x)La(x)Zr2O7 nunca se ha utilizado con la misma composición en el proceso de fotocatálisis, según nuestra consideración. Según el levantamiento bibliográfico, existen dos tipos de investigaciones o más que prepararon los mismos elementos utilizados en nuestra investigación, pero con diferente composición, cuya base es La2Zr2O7, con sustituciones de gadolinio, a diferencia de nuestra investigación en la que G2Zr2O7 es el base. Además, esta composición no se utilizó en el proceso de purificación del agua, y esto indica que nuestra investigación es una de las primeras investigaciones que utilizó Gd(2−x)La(x)Zr2O7 con el mismo método en el proceso de fotocatálisis37,38 .

El procedimiento de purificación se realizó en idénticas condiciones utilizando óxido de circonio de gadolinio solo, peróxido de hidrógeno solo y luego ambos combinados con 1 ml de peróxido de hidrógeno y 0,025 g de pirocloro en 50 ml de solución de cristal violeta. Se observó que el pirocloro solo demostró una eficiencia respetable y que esta eficiencia aumentó al combinarlo con peróxido de hidrógeno. Mostraron una rápida degradación del cristal violeta, pasando de una concentración de 10 ppm a 0 ppm en no más de 90 min. Al comparar con otras investigaciones, la mayoría usó el mismo porcentaje de fotocatalizador en el proceso de tratamiento de aguas residuales39.

La Tabla 2 muestra los valores de cambio de concentración o concentración relativa (C/C0) para soluciones de cristal violeta (50 ml) durante el proceso de purificación. El proceso de fotocatálisis se ha llevado a cabo en tres categorías paralelas. El primero de ellos incluía la fotocatálisis de solución de cristal violeta (50 ml) utilizando 1 ml de peróxido de hidrógeno solo (H2O2). El segundo ha procedido con pirocloro de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 además de peróxido de hidrógeno. El último se llevó a cabo usando pirocloro de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 solo (nanopolvo de Gd(2−x)La(x)Zr2O7). Además, todas estas categorías han procedido bajo la influencia de la radiación ultravioleta en la que se tomaba la muestra para análisis cada 15 min.

La eficiencia de la fotocatálisis es un parámetro vital que debe tenerse en cuenta. En el caso de la fotocatálisis con nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 solas, se demostró una eficiencia media según los valores de concentración relativa (C/C0) de la Tabla 2.

Para la catálisis con pirocloro además de peróxido de hidrógeno, la interpretación es ligeramente diferente, ya que se realiza con un proceso llamado Fenton-Like Reaction, y en este caso, el peróxido de hidrógeno es indispensable. Similar a la situación de la purificación con peróxido de hidrógeno solo, este caso se caracteriza por su alta eficacia y una tasa de eliminación cercana a cero en un período de tiempo también cercano a los 90 min. Aunque superficialmente puede parecer que el pirocloro Gd(2−x)La(x)Zr2O7 no tiene ninguna función siempre que obtengamos el mismo porcentaje con o sin él, la realidad es bastante diferente. La eficiencia del proceso de purificación en el caso del pirocloro con peróxido de hidrógeno es mejor que el peróxido de hidrógeno solo, incluso si obtenemos la misma eficiencia aproximadamente al final del período de purificación de 90 min según los valores de las concentraciones relativas5. Por lo tanto, se encontró que la eficiencia del enfoque Fenton-Like, que comprende pirocloro y peróxido de hidrógeno, es mayor que el pirocloro solo al comienzo del proceso. Además, empleamos una concentración muy baja de pirocloro, hasta 0,025 g por 50 ml de contaminante. Si se aumenta este porcentaje, se acelerará el proceso de purificación. y así prueba la eficiencia del pirocloro en el proceso de degradación empleando una reacción tipo Fenton (Tabla 3).

En este contexto, el método fotocatalítico se caracteriza por la separación de pares electrón/hueco (e−/h+) y la separación de los portadores fotogenerados se puede conectar a la fase cristalina, la relación de aspecto de los nanopolvos, la estructura electrónica de las facetas y defectos Las ecuaciones de reacción. (6)–(19) se puede utilizar para representar el mecanismo de degradación fotocatalítica del colorante cristal violeta40.

Las nanopartículas VB (h+) fotogeneradas se combinan con H2O u OH- para formar OH· a través de la siguiente reacción con actividad evaluada e indirectamente descomponen la molécula de colorante41.

Como resultado de la presencia de grupos hidroxilo, agua y oxígeno en la superficie de las nanopartículas (Gd(2−x)La(x)Zr2O7, los electrones (e−) en la banda de conducción reaccionan con las especies absorbidas en la (Gd (2−x)La(x)Zr2O7 superficie, radicales libres para generar O2·−, y siguiendo los pasos posteriores, da como resultado la generación de radicales OH·.

Finalmente, los agentes producidos degradaron la contaminación del tinte.

Se sabe que el uso de H2O2 en combinación con el fotocatalizador ha demostrado ser efectivo para eliminar del agua especies orgánicas peligrosas. El H2O2 puede dificultar la recombinación superficial de pares electrón-hueco y estimular la producción de radicales hidroxilo5.

Debido a su reacción con los huecos de la banda de valencia y los electrones de la banda de conducción en los sistemas fotocatalíticos, el H2O2 eleva la concentración de los radicales ·OH y ·O2. El H2O2 puede reaccionar con los radicales ·OH, HO2· o ·O2 para producir más radicales (Ecs. 20-25). Las especies oxidativas interactúan entre sí o con los agujeros que crean para producir O2 (Ecs. 26, 27). Además, la exposición a la luz ultravioleta del H2O2 da como resultado la formación de radicales hidroxilo (Ec. 28).

Las grandes diferencias se derivan principalmente de la energía térmica fotoinducida, que calienta in situ los sitios activos para reducir la barrera de activación del H2O244.

En resumen, se preparó con éxito Gd(2−x)La(x)Zr2O7 con una relación Gd/La variable utilizando un enfoque de autocombustión sol-gel basado en ácido tartárico como combustible. Los nanopolvos de Gd2Zr2O7 sustituidos con La existían en una fase de fluorita defectuosa. Se encontró que el tamaño de los cristalitos de las nanopartículas sintetizadas era de 28,5 a 39,2 nm. Se encontró que el volumen de la celda unitaria era de 1,2 × 10–21 cm3. El tamaño de grano de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 aumentó con el aumento del contenido de iones La3+. La mayoría de las partículas sintetizadas muestran una estructura de tipo cúbico. El espectro de reflectancia difusa confirmó que las partículas sintetizadas son altamente transmisivas. Se encontró que la energía de banda prohibida de las muestras de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 sintetizadas era (4–3.6 eV). Finalmente, el efecto sinérgico de Gd(2−x)La(x)Zr2O7 y H2O2 poseía una reacción de oxidación avanzada con alta eficiencia hacia la degradación de contaminantes orgánicos, como el colorante cristal violeta, de manera rentable y en corto tiempo.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo.

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Facultad de Ciencias, Universidad de New Mansoura, International Coastal Rd, Ciudad de New Mansoura, Dakahlia, Egipto

M. Abdelbaki

Departamento de Espectroscopia, Instituto de Investigación de Física, Centro Nacional de Investigación, 33 ElBehouth St., DokkiGiza, 12311, Egipto

AM Abdelgany

Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Mansoura, Mansoura, 35516, Egipto

AH Oraby y EM Abdelrazek

Departamento de Materiales Electrónicos y Magnéticos, Instituto de Materiales Avanzados, Instituto Central de Investigación y Desarrollo Metalúrgico (CMRDI), PO Box 87, Helwan, 11421, El Cairo, Egipto

MM Rashad

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MA diseñó la investigación y realizó los experimentos. AMA revisó la investigación y el diseño. AHO y EMA revisaron la investigación. MR discutió los resultados desde el principio y revisó la investigación en su forma final. Todos los autores acordaron publicar este manuscrito.

Correspondencia a M. Abdelbaky.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Abdelbaky, M., Abdelghany, AM, Oraby, AH et al. Eliminación eficaz del contaminante cristal violeta a través del proceso foto-Fenton basado en nanopartículas de Gd(2−x)La(x)Zr2O7. Informe científico 13, 7723 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34838-w

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Recibido: 05 febrero 2023

Aceptado: 09 mayo 2023

Publicado: 12 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34838-w

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