Síntesis y caracterización de nanomateriales de ZnO y ZnO-Co para la fotodegradación de TMP/SMX y Paracetamol

Abstract

El objetivo de este estudio es sintetizar y caracterizar nanomateriales de ZnO puro y ZnO dopado con Co a concentraciones de 2%, 4% y 6% en relación peso. Estos materiales tienen aplicaciones como fotocatalizadores en tratamientos de agua, específicamente para eliminar contaminantes emergentes como los fármacos TMP/SMX y paracetamol. Se presenta un proceso de elaboración sencillo para la producción de nanopartículas de ZnO y ZnO-Co mediante el método hidrotermal a baja temperatura (90 ºC), con ajuste de pH 9 y calcinación a 600 °C. Los resultados de caracterización microestructural por DRX confirmaron la presencia de ZnO en forma pura, con estructura hexagonal tipo Wurtzita. La morfología superficial observada en imágenes de MEB ilustró que el pH y la temperatura de calcinación afectan la morfología de las nanoestructuras de ZnO, obteniendo morfologías en forma de nanobarras alargados, nanobarras aglomerados y nanobarras porosos. Los resultados del dopaje con Co mostraron una morfología irregular en las nanopartículas. Se observaron nanobarras con fracturas y la presencia de granos con tendencia a formar aglomeraciones. Los resultados de FRX confimaron las concentraciones para el dopaje de ZnO-Co. Utilizando análisis de reflectancia difusa y la función de Kubelka-Munk, se determinaron las energías de banda prohibida (Eg) para todas las muestras, y los valores de Eg calculados oscilaron entre 3.25 eV para ZnO y 3.25 eV a 3.21 eV para ZnO-Co. La actividad fotocatalítica de los nanomateriales de ZnO y ZnO-Co se evaluó en un fotorreactor para la degradación de contaminantes emergentes. Los resultados obtenidos para la degradación de TMP/SMX muestran eficiencias del 97% con ZnO puro, 78% con ZnO-Co-2%, 87% con ZnO-Co-4% y 82% con ZnO-Co-6%. Para la degradación de paracetamol, las eficiencias fueron del 99% con ZnO puro, 48% con ZnO-Co-2%, 57% con ZnO-Co-4% y 51% con ZnO-Co-6%. Estos resultados destacan que el carácter poroso del ZnO puro favorece una mayor interacción con los contaminantes durante el proceso, lo que contribuye a una mayor eficiencia en el tiempo de tratamiento. The objective of this study is to synthesize and characterize pure ZnO and Co-doped ZnO nanomaterials at concentrations of 2%, 4%, and 6% by weight. These materials have applications as photocatalysts in water treatment, specifically for the removal of emerging contaminants such as TMP/SMX and paracetamol. A simple production process is presented for the synthesis of ZnO and ZnO-Co nanoparticles using the hydrothermal method at low temperature (90 °C), with a pH adjustment to 9 and calcination at 600 °C. Microstructural characterization results by XRD confirmed the presence of pure ZnO with a hexagonal Wurtzite structure. Surface morphology observed in SEM images showed that the pH and calcination temperature influence the morphology of ZnO nanostructures, resulting in elongated nanorods, agglomerated nanorods, and porous nanorods. The Co doping results revealed an irregular morphology in the nanoparticles, where fractured nanorods and grains with a tendency to form agglomerates were observed. XRF results confirmed the doping concentrations of ZnO-Co. Using diffuse reflectance analysis and the Kubelka-Munk function, the bandgap energies (Eg) of all samples were determined, with calculated Eg values ranging from 3.25 eV for pure ZnO to 3.25 eV to 3.21 eV for ZnO-Co. The photocatalytic activity of ZnO and ZnO-Co nanomaterials was evaluated in a photoreactor for the degradation of emerging contaminants. The results for TMP/SMX degradation showed efficiencies of 97% for pure ZnO, 78% for ZnO-Co-2%, 87% for ZnO-Co-4%, and 82% for ZnO-Co-6%. For paracetamol degradation, the efficiencies were 99% for pure ZnO, 48% for ZnO-Co-2%, 57% for ZnO-Co-4%, and 51% for ZnO-Co-6%. These results highlight that the porous nature of pure ZnO enhances its interaction with contaminants during the process, contributing to greater efficiency over the treatment time.