Heterounión de Ag-TiO2-FexOy : respuesta diferenciada entre moléculas orgánicas y bacterias, a diferentes longitudes de onda

Abstract

RESUMEN: Debido a sus propiedades fisicoquímicas y ópticas, el TiO2 se ha utilizado ampliamente para construir heterouniones con otros semicoductores como los óxidos de hierro, que además de generar una variedad de reacciones redox bajo la radiación de luz adecuada, le agregan propiedades magnéticas al material. En este trabajo se realizó una comparación del catalizador sintetizado Ag-TiO2-FexOy y el TiO2 P25, bajo tres tipos de irradiación: luz solar, UVA y luz blanca, en la inactivación de E. Coli resistente a las cefalosporinas y en la degradación de cuatro tipos de antibióticos: ciprofloxacina (CIP), amoxicilina (AMX), azitromicina (AZM) y cefalexina (CFX). El fotocatalizador Ag-TiO2-FexOy obtuvo los mejores resultados en la inactivación de E. Coli independientemente de la longitud de onda utilizada. En la degradación de los antibióticos el TiO2 comercial fue más eficiente, cuando se utilizó radiación solar y luz UVA. Sin embargo, cuando se irradió con luz blanca (visible), solo el catalizador Ag-TiO2-FexOy logró degradar significativamente los antibióticos. Para conocer las posibles rutas implicadas en la eliminación de los antibióticos y en la inactivación de las bacterias, en ambos materiales, se realizó una nueva serie de experimentos utilizando KI, isopropanol, 1,4-benzoquiniona y alcohol furfurílico como “scavengers”. Los resultados indicaron que en el caso de los experimentos con TiO2, el radical hidroxilo (𝐻𝑂⦁) y los huecos fotogenerados (ℎ+), fueron las especies que participaron activamente en la remoción de los contaminantes, mientras que en el caso de los tratamientos empleando el catalizador Ag-TiO2-FexOy, las especies reactivas fueron el anión radical superóxido (𝑂2 ⦁−) y los huecos fotogenerados (ℎ+). Los resultados indicaron que en la heterounión Ag-TiO2-FexOy se produjo una modificación en sus niveles energéticos (respecto al TiO2 P25), permitiendo la absorción de energía con longitudes de onda mayores, lo que le brinda al material mayor capacidad de producir de manera preferencial anión radical superóxido. Esta especie a pesar de no ser tan reactiva como el radical hidroxilo, bajo luz visible logra eliminar más del 60% de los antibióticos en 12 h e inactivar bacterias cerca del 98% en 7 h de tratamiento. Finalmente, se evaluó la extensión del tratamiento, con el material Ag-TiO2-FexOy y el TiO2 P25 comercial, mediante la determinación de la demanda química de oxígeno (DQO), el carbono orgánico total (COT) y la medida de la actividad antimicrobiana de los antibióticos tratados, empleando luz solar simulada, durante 4h de tratamiento. Los resultados indicaron que, aunque no se obtuvo una mineralización de los antibióticos, con ambos fotocatalizadores, se obtuvieron disminuciones significativas de la actividad antimicrobiana en las soluciones tratadas. Con el propósito de evaluar la estabilidad del catalizador sintetizado, el reúso de este fue evaluado mediante 5 ciclos consecutivos, obteniéndose porcentajes de eliminación por encima del 80% en cada uno de los ciclos, lo que demuestra la estabilidad del fotocatalizador. Futuros trabajos deben ser realizados para encontrar el límite de reuso del material. La heterounión Ag-TiO2-FexOy tendría un gran campo de acción, si se aplica sobre superficies de las paredes de las habitaciones de hospitales, de tal manera que mediante la utilización de luz blanca, podría activarse el fotocatalizador y de esa manera inactivar bacterias que lleguen a estas superficies.

ABSTRACT: Due to its physicochemical and optical properties, TiO2 has been widely used to build highly efficient heterojunction photocatalysts, and to drive a variety of redox reactions and by using iron oxides that and magnetic properties to the material. In this work, a comparison between the synthesized catalyst Ag-TiO2-FexOy and TiO2 P25, under three types of irradiation: sunlight, UVA and white light, in the inactivation of E. Coli resistant to cephalosporins and in the degradation of four types of antibiotics: Ciprofloxacin (CIP), Amoxicillin (AMX), Azithromycin (AZM), and Cephalexin (CFX). Was made the Ag-TiO2-FexOy photocatalyst showed the best results in the inactivation of E. Coli regardless of the used wavelength. In the antibiotics removal, commercial TiO2 was more efficient when solar radiation and UVA light were used. However, when irradiated with white (visible) light, only the Ag-TiO2-FexOy catalyst was able to remove the antibiotics significantly. In order to clear the possible routes involved in the elimination of antibiotics and in the inactivation of bacteria, in both materials, a new series of experiments was carried out using KI, isopropanol, 1,4-benzoquinone and furfuryl alcohol as "scavengers". The results indicated that, for TiO2, the hydroxyl radical (𝐻𝑂⦁) and the photogenerated holes (ℎ+), are the main species that participated in the pollutants removal, while in the synthesized catalyst, the predominant reactive species were the superoxide radical anion (𝑂2 ⦁−) and the photogenerated holes (ℎ+). The results indicated that in the Ag-TiO2-FexOy heterojunction there was a modification in its energy levels, allowing the energy absorption of longer wavelengths compared to the commercial TiO2 P25, which gives the material a higher oxidant capacity and produce the superoxide radical anion. Despite not being as reactive as the hydroxyl radical, this species eliminate more than 60% of the antibiotics in 12 hours under visible light and inactivates more than 98% of the bacteria in 7 hours of treatment. Finally, the extension of the treatment was evaluated, with the Ag-TiO2-FexOy material and the commercial TiO2 P25, by measuring the chemical oxygen demand (COD), the total organic carbon (TOC) and the antimicrobial activity of the antibiotics, using simulated sunlight, during 4h. The results indicated that, although a mineralization of the antibiotics was not, significant decreases in the antimicrobial activity were obtained. With the purpose of determining the stability of the synthesized catalyst, its reuse was evaluated through 5 consecutive cycles, obtaining elimination percentages above 80% in each one, which demonstrates the stability of the synthesized photocatalyst. Future work should be carried out to find the limit of reuse of the developed material. The Ag-TiO2-FexOy heterojunction would have a large field of action, if it is applied on the surfaces of the walls of hospital rooms, in such a way that by using white light, the photocatalyst could be activated and thus inactivate bacteria that reach these surfaces.