Diferencias estructurales y comportamiento de adsorción de nanopartículas de óxido de zinc dopadas con metales alcalinos.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 2292 (2022) Citar este artículo

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La nanotecnología desempeña un papel vital en todos los campos científicos, incluida la investigación medioambiental, debido a su relación superficie:volumen en comparación con los materiales a granel. Estudios recientes demuestran su eficacia como prácticas de eliminación y remediación de contaminantes. Las nanopartículas de óxido de zinc (ZnO), un material multifuncional con propiedades distintas, y sus homólogos dopados se estaban estudiando ampliamente en diferentes campos de la ciencia. Sin embargo, su aplicación en el tratamiento de residuos medioambientales está empezando a ganar atención debido a su bajo coste y alta productividad. La contaminación por metales pesados es uno de los principales contaminantes que afectan a las formas de vida acuáticas y terrestres. La contaminación de las masas de agua también ha generado preocupaciones alarmantes en las últimas décadas. La mayoría de los metales pesados son elementos esenciales en cantidades mínimas y omnipresentes en el medio ambiente, provocando toxicidad para los organismos vivos, por ejemplo el níquel. En nuestro trabajo, analizamos la perspectiva de la eliminación selectiva de iones de níquel mediante diferentes nanopartículas de óxido de zinc dopadas con metales alcalinos (K+, Rb+ y Cs+) fabricadas mediante diferentes métodos de tratamiento (preparadas y tratadas térmicamente). Encontramos variaciones morfológicas desde flores hasta bastones debido a los cationes alcalinos de los dopantes. Además, la estructura cristalina y sus diferentes fracciones presentaron un contenido amorfo de las muestras fabricadas que aumentó de 2 a 10% en peso con respecto al radio atómico del dopante en las muestras preparadas y no presente en las muestras tratadas térmicamente. Informamos cómo la estructura y la composición de la muestra afectaron directamente su comportamiento de adsorción hacia iones de níquel en soluciones acuosas en función de la proporción de micro y nano zincita de las partículas de ZnO.

El óxido de zinc (ZnO) es un óxido metálico basado en semiconductores en el mundo de los materiales y encontró aplicaciones potenciales en las industrias cosmética, electrónica, farmacéutica y del caucho1,2,3,4,5 debido a sus propiedades únicas. Las características multifuncionales del ZnO se pueden mejorar con la ayuda de la nanotecnología. La nanotecnología nos ayuda a modificar las propiedades de los materiales para introducir nuevas características estructurales, electrónicas, químicas o mecánicas. La modificación del tamaño de las partículas a nivel nanométrico, al menos en una dimensión inferior a 100 nm, ayuda a crear nuevos materiales. Con respecto a sus contrapartes a granel, las partículas a nanoescala tienen diferentes proporciones de superficie a volumen, propiedades interfaciales y más6. Se estaban estudiando las nanopartículas de ZnO por sus propiedades y aplicaciones únicas. Se están estudiando ampliamente diferentes métodos de síntesis, como coprecipitación, sol-gel, hidrotermal, solvotermal y sinterización mecánica, para mejorar la producción y la calidad7. En la nanoescala, el ZnO se presenta en diferentes dimensiones 1D (p. ej., varillas, agujas, resortes), 2D (p. ej., láminas, placas) y estructuras 3D (p. ej., flores, copos de nieve), lo que da paso a diversas aplicaciones como nuevos materiales2.

Por otro lado, se está estudiando ampliamente el dopaje, un enfoque manipulativo para agregar impurezas o nuevas características mediante la incorporación de diferentes elementos en la matriz del compuesto original. Asimismo, las nanopartículas de ZnO dopadas con metales de transición están ganando atención debido a sus propiedades e integridad estructural8,9,10,11. Las nanoestructuras de ZnO dopado tienen una morfología rígida cuya estructura se compone de varias fases regulares con metales alternativos y átomos de óxido alineados geométricamente en sus ejes12,13,14. Se estudiaron nanopartículas de óxido de zinc como tales y sus contrapartes dopadas con diferentes elementos dopantes en fotocatálisis, baterías, sensores y sus propiedades magnéticas y eléctricas15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 ,27,28,29,30,31,32. También estaban en ciernes nuevos estudios sobre tetrápodos de ZnO debido a la aplicación de todos sus beneficios en la plataforma33.

La contaminación del agua es una de las mayores preocupaciones ambientales que puede afectar no sólo a la vida acuática sino también a la terrestre. La contaminación por metales pesados junto con otras sustancias químicas nocivas constituye una gran amenaza. Hay varios metales pesados a granel y también en cantidades mínimas en los cuerpos de agua contaminados por plantas de energía, fertilizantes, industrias de teñido, industrias de baterías, etc. El uso de la nanotecnología en los procesos de filtración se aplica ampliamente en la actualidad. En los procesos de filtración se utilizaron fuentes de carbón activado, organismos biológicamente modificados y materiales poliméricos. Se ha descubierto que el uso de nanopartículas semiconductoras en lugar de nanomateriales magnéticos dopados con elementos de transición es más adecuado para la eliminación de contaminantes34,35,36. Además, la identificación de metales pesados en soluciones acuosas podría ser una solución para la extracción y procesamiento de los contaminantes de forma más eficaz37,38,39,40,41. El uso de nanopartículas de óxido de zinc dopadas con diferentes elementos comenzó a aplicarse también en el campo del tratamiento de aguas residuales41. Entre varios contaminantes, el níquel (Ni), un oligoelemento esencial para las formas de vida y el elemento más encontrado es uno de los principales contaminantes en los cuerpos de agua. La contaminación por níquel normalmente se observa dentro de límites seguros en la mayoría de los cuerpos de agua; sin embargo, un ligero aumento y su toxicidad pueden afectar en mayor medida a diversas formas de vida42. Además, en términos de estudios ambientales y de contaminación, las nanopartículas de ZnO dopadas exhiben propiedades únicas, proporcionando adsorción de metales pesados. Se ha reportado el favoritismo del dopaje al proceso de adsorción de ciertos elementos sobre otros43,44,45,46,47.

Se plantea la necesidad de nuevos materiales para cuantificar las trazas de metales pesados presentes en el medio acuoso frente a las herramientas cuantitativas comerciales para identificarlos a partir de su masa. La identificación y eliminación de metales pesados de los cuerpos de agua es una de las principales preocupaciones de los ambientalistas. Aunque se está investigando la cuestión de la adsorción de ZnO48, sus efectos basados en las propiedades estructurales del material no se estudiaron ampliamente. Como se mencionó anteriormente, se estaban investigando diferentes dopantes con ZnO incluso para el tratamiento del agua. Sin embargo, no pudimos encontrar estudios relacionados con el dopaje con base alcalina y sus efectos sobre el comportamiento de adsorción hacia iones Ni. En un sentido más amplio, la extracción selectiva de Ni no se estudió ampliamente como otros contaminantes comunes.

En nuestro trabajo, estudiamos los efectos de los cambios estructurales en las nanopartículas de óxido de zinc con diferentes dopantes (metales alcalinotérreos: K+, Rb+ y Cs+) preparadas mediante el método solvotérmico in situ. (Las muestras preparadas in situ ZnO dopado con K+, ZnO dopado con Rb+ y ZnO dopado con Cs+ se denominan K:ZnO, Rb:ZnO y Cs:ZnO, respectivamente). Las muestras se dividieron en dos grupos según la técnica de síntesis como sigue 1) tal como está preparado 2) tratado térmicamente. Los efectos estructurales del material dopante en las nanopartículas de ZnO se caracterizaron por su morfología mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y estructura cristalina mediante difracción de rayos X (DRX). Las características de adsorción de las partículas de ZnO para los iones de Ni se analizaron con la ayuda de espectroscopia de absorción atómica (AAS). Reportamos los efectos del dopaje en la morfología del ZnO y cómo afectó la adsorción de iones de Ni en un medio acuoso.

Las partículas de óxido de zinc se sintetizaron utilizando nitrato de zinc hexahidrato (Zn(NO3)2.6H2O) (Sigma-Aldrich) e hidróxido de sodio (NaOH) (Sigma-Aldrich). Además, se utilizaron cloruros de K+, Rb+ y Cs+ (cloruro de potasio (KCl) (Fluka), cloruro de rubidio (RbCl) y cloruro de cesio (CsCl)) como elementos dopantes. Para los experimentos de adsorción, se utilizó hexahidrato de cloruro de níquel (II) (NiCl2.6H2O) (VWR International Ltd., Hungría) para preparar el medio acuoso. Todos los productos químicos utilizados fueron de grado analítico. A lo largo de los experimentos, se utilizó agua destilada y acetona y etanol de calidad analítica para lavar las partículas obtenidas.

Las partículas de óxido de zinc se sintetizaron mediante el método solvotérmico. Se prepararon nanopartículas de ZnO a partir de nitrato de zinc de una solución precursora 0,1 M, agitada continuamente a 500 rpm. El pH de la solución se ajustó al intervalo alcalino (pH 13) mediante la adición gota a gota de hidróxido de sodio al 40% (aproximadamente 2 ml). Se agitaron durante 15 min para una mejor dispersión, nucleación y estabilidad. La mezcla se envejeció, mediante mezclado continuo a 500 rpm, a una temperatura más alta de 80 °C, además, durante cuatro horas. El precipitado (blanco) obtenido se lavó tres veces con acetona, etanol y agua destilada. Después de la etapa de lavado final, el precipitado se secó al aire a temperatura ambiente hasta que se obtuvo una masa estable de partículas en polvo blancas. Las partículas de óxido de zinc (precipitado blanco) obtenidas de estos pasos como tales se mencionarán como muestras "preparadas". Se trató térmicamente media parte del polvo preparado a 400 °C en un horno durante tres horas en una atmósfera de aire, lo que se menciona como muestras "tratadas térmicamente".

Para el dopaje, se preparó una solución precursora 0,1 M de cada material dopante a partir de sus respectivas sales de cloruro (KCl, RbCl, CsCl). Las condiciones experimentales fueron ligeramente modificadas para el dopaje con respecto a nuestra referencia39. Al igual que la preparación de ZnO, para el dopaje, se usaron cantidades iguales de soluciones precursoras (ZnO y dopante) para la síntesis en el primer paso y se siguió el mismo procedimiento descrito anteriormente.

Generalmente, las muestras de ZnO dopadas se denominaron K:ZnO, Rb:ZnO y Cs:ZnO con respecto al dopante y se subclasificaron además como preparadas (p. ej., ZnO, Rb:ZnO) y tratadas térmicamente (p. ej. ZnO(H), Rb:ZnO(H)). La representación esquemática con los pasos para la síntesis de ZnO y partículas de ZnO dopadas se muestra en la Fig. 1.

Descripción esquemática de la síntesis de ZnO y del proceso de dopaje.

Se prepararon diferentes soluciones madre de NiCl2 siendo el volumen final de la solución de Ni 4 ml en concentraciones de 30 mg/L a 300 mg/L (30, 60, 90, 120, 180, 210, 300 mg/L). Se añadió la misma cantidad de muestra de ZnO de 25 mg a las soluciones de iones de Ni en diferentes concentraciones. La mezcla se agitó durante dos minutos para una mejor dispersión. Se mezclaron durante 60 min (tiempo de contacto de las partículas de ZnO y los iones de Ni) en un agitador horizontal.

Posteriormente, la suspensión se centrifugó y el sobrenadante se midió mediante espectrometría de absorción atómica de llama (AAS) para controlar los iones Ni no absorbidos en la solución por ZnO.

La investigación de la microestructura se llevó a cabo utilizando un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (SEM) Hitachi S4800 equipado con un sistema de espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDS) Bruker AXS. Para el análisis se utilizó el voltaje de aceleración de 20 kV y señales de electrones secundarios para estudiar la morfología de las estructuras a diferentes aumentos (20.000 y 40.000 veces).

Las muestras se midieron con un difractómetro Bruker D8 Advance utilizando radiación Cu Kα (40 kV, 40 mA), en geometría de haz paralelo obtenida con un espejo Göbel, equipado con un detector sensible a la posición Vantec-1 (apertura de ventana de 1°). Los patrones se registraron en el rango angular de 2 a 100° (2θ), con una velocidad de 0,007° (2θ)/29 s. La muestra se gira en el plano de la muestra durante la medición, para obtener datos de toda la superficie y reducir los efectos de orientación preferidos en el plano. El tamaño de los cristalitos, la deformación y los parámetros de la celda unitaria se calcularon mediante refinamiento de Rietveld en TOPAS4, con parametrización empírica, los parámetros instrumentales se definieron en SRM 640a Si. Los resultados cuantitativos se obtuvieron mediante el uso combinado del refinamiento de Rietveld y el cálculo del área del pico (ajuste de Pawley) para la fracción amorfa.

Para medir el contenido de Ni de las soluciones acuosas se utilizó Pye Unicam (PU 9100) de Phillips. Se utilizó agua de alta pureza (18,3 MΩ/cm) producida por el sistema de purificación de agua Zeneer Power I (Scholar-UV) de Human corp, así como una solución estándar de Ni de 1000 mg/l disponible comercialmente (Merck, Darmstadt, Alemania). Se prepararon soluciones estándar durante cada lote de mediciones. Las mediciones de absorción atómica se llevaron a cabo utilizando una llama de aire/acetileno. Los parámetros de funcionamiento del Ni se establecieron según lo recomendado por el fabricante. La determinación de Ni se llevó a cabo en la línea de absorción de 341,5 nm.

Los cambios morfológicos en las partículas de ZnO basados en diferentes materiales dopantes y después del tratamiento térmico se muestran en la Fig. 2. Generalmente, dependiendo de los iones dopantes hay un cambio considerable en la estructura de las partículas.

Imágenes SEM de muestras preparadas (izquierda) y muestras tratadas térmicamente (derecha) antes del dopaje (A,B) y después del dopaje K:ZnO (C,D), Rb:ZnO (E,F) y Cs:ZnO ( G,H).

Las muestras de ZnO de control tenían forma de flor, las partículas de K:ZnO también tenían forma de flor (esféricas), las partículas de Rb:ZnO eran proyecciones florales en forma de palos y las partículas de Cs:ZnO eran barras apiladas entre sí. Después del tratamiento térmico, las muestras tienden a formar una morfología rígida y se asemejan a características de extremos afilados. El tamaño de las partículas de ZnO y K: ZnO aumentó visiblemente después del tratamiento térmico (consulte la Fig. 2A-D), mientras que disminuyó en el caso de otros dos iones dopantes.

El cambio morfológico del ZnO de forma de flor a forma de varilla podría verse como una función de la masa atómica del catión dopante. Otros cambios podrían deberse a la diferencia en la energía superficial49 de los iones K+, Rb+ y Cs+.

Existen diferentes teorías (tanto clásicas como no clásicas) que se atribuyen al crecimiento cristalino de las nanopartículas. En general, se cree que las reacciones sintéticas siguen modelos clásicos de crecimiento estructural, donde los núcleos pequeños formados a partir de la solución sobresaturada conducen a la formación de partículas más grandes mediante el sacrificio inicial de partículas pequeñas hasta cierto punto. También podría ser cierto en nuestro caso, especialmente en el caso de ZnO y K: ZnO, donde se observa una formación sistemática en diferentes rangos. Por otro lado, también se dice que la formación de ZnO sigue teorías no clásicas, unión orientada, donde se forman agregados más grandes y se fusionan en redes. Podría ser cierto en el caso de que concentraciones más bajas y una mayor duración en la matriz de la solución conduzcan a la integración de las matrices. Esto podría ser cierto para las partículas dopadas, especialmente de mayor número atómico (Rb+ y Cs+), ya que una cantidad igual de elementos precursores reduce la saturación de los iones Zn en la solución. Además, el apilamiento o agrupamiento entre las partículas es común en partículas como el ZnO, ya que el sistema tiende a disminuir la energía superficial general al hacer coincidir las redes cristalinas reduciendo los defectos50. Esto también explica adicionalmente el cambio de flor a palo con respecto al K+ al Cs+.

Los resultados del análisis EDX no fueron discutidos ya que no es factible informar la masa atómica del dopante presente en las muestras, debido a su menor concentración.

El análisis estructural de las partículas de ZnO caracterizado por XRD se analiza a continuación. Se utilizó un algoritmo de búsqueda/coincidencia para identificar fases cristalinas, que era solo ZnO en todas las muestras (Fig. 3). Las diferencias en las posiciones de los picos eran demasiado pequeñas para interpretar los efectos del dopaje en los datos de la celda unitaria. Las intensidades máximas, que también son un posible dato para observar los efectos del dopaje, se vieron afectadas por una orientación preferida severa y compleja, debido a la morfología inusual del grano. Por lo tanto, se utilizó el refinamiento de Rietveld para extraer datos de la red cristalina y de la celda unitaria (Tabla 1).

Patrón de XRD de polvos dopados y sin dopar, muestras de ZnO preparadas y tratadas térmicamente.

El refinamiento de Rietveld también permite el análisis cuantitativo de las muestras, en paralelo con el cálculo del tamaño de los cristalitos y la deformación. La orientación preferida se corrigió con la función March-Dollase para (001) y (010), pero para las formas de partículas más complejas, también tuvimos que aplicar la corrección Armónica Esférica, factor 8. Con todas las correcciones y refinamientos, observamos que Ninguna de las muestras puede adaptarse mejor a una estructura de ZnO, debido a un ensanchamiento de tamaño anómalo. Este fenómeno ocurre cuando el tamaño del cristalito tiene un rango de distribución amplio y no es unimodal. La solución se encontró aplicando una estructura de ZnO para tamaños de cristalitos <100 nm y una segunda para tamaños >500 nm. Por lo tanto, categorizamos el ZnO en dos regiones de tamaño de cristalitos, como rango nano y micro, ya que consideramos el rango de tamaño promedio de las partículas. Este enfoque nos permite detectar los rangos de tamaño más importantes en la distribución, sin embargo, no ofrece información sobre los valores de tamaño entre los rangos detectados (por ejemplo, una distribución de 10 a 1000 nm con un máximo en el rango de 50 a 100 nm y una el segundo en el rango de 600-700 nm no significa que todas las partículas estén agrupadas aquí). Calcular el porcentaje de peso nos ofrece una distribución de cada fracción de tamaño en la muestra (Fig. 4), y los datos de la celda unitaria se pueden refinar según las fracciones. Incluso con este enfoque, se detectaron diferencias mínimas entre los valores de celda unitaria de ZnO control y dopado, lo que indica una cantidad infinitesimal de cationes dopantes. Sin embargo, el coeficiente lineal de adsorción de rayos X (Fig. 5) muestra una tendencia característica según el peso atómico del dopante. Esta propiedad nos permite observar dos propiedades importantes de los materiales: incorporación de elementos más pesados o más ligeros por aumento o disminución del coeficiente de adsorción, respectivamente; presencia o eliminación de porosidad/defectos en los límites de grano, lo que resulta en un aumento del coeficiente de adsorción. Los pequeños cambios en el coeficiente de las muestras preparadas indican una incorporación de catión dopante <100 ppm. También se han observado diferencias entre fracciones nano y microcristalinas para las mismas muestras. En el caso de la muestra K:ZnO, la fracción nanocristalina absorbe todo el K+, ya que el coeficiente de la fracción microcristalina es mayor que el del ZnO puro.

Porcentaje en peso de nanozincita, microzincita y fases amorfas calculado mediante análisis de Reitveld.

Coeficiente de absorción lineal de rayos X de las muestras obtenidas del análisis XRD.

Después del tratamiento térmico en general, se observó un aumento adicional del coeficiente, como resultado de la eliminación de defectos estructurales51, dislocaciones y vacantes. Estos procesos ocurrieron simultáneamente con la recristalización de la fracción nanocristalina a microcristalina. El mayor aumento se observó para la fracción nanocristalina K:ZnO, lo que sugiere que mediante recristalización se incorporó K+ a la fracción microcristalina, respaldado por el menor coeficiente de la fracción microcristalina K:ZnO tratada térmicamente en comparación con el mismo material de ZnO puro.

La presencia de hidrozincita se detectó solo en una muestra tratada térmicamente (Rb:ZnO), pero las fases amorfas están presentes en todas las muestras preparadas. Algunas partes de la fracción amorfa podrían ser material hidratado de tipo hidrocincita. La cantidad de fracción amorfa aumentó con el número atómico del dopante y mediante tratamiento térmico se cristalizó en fases dopadas nanocristalinas.

El recocido térmico produce cambios en los datos de la celda unitaria, el tamaño de los cristalitos y también la tensión. La presencia de material amorfo conduce a la formación de una nueva fracción cristalina durante el tratamiento térmico, tal como se observa por SEM. El desarrollo de bigotes es posible si se desarrolla una capa amorfa en la superficie de las partículas durante la síntesis. La deformación se reduce mediante el recocido, lo que indica la presencia de defectos de red en las muestras preparadas que se eliminan mediante calentamiento. La fracción del rango de tamaño micro aumentó mediante el recocido en todas las muestras, excepto en la de Rb:ZnO, que tuvo un valor más alto de este rango en la muestra preparada. Esto indica que Rb+ promueve la cristalización en ZnO (Fig. 4). El aumento de la microrregión de las muestras podría tener lugar mediante la sinterización y la eliminación de fallos de apilamiento durante el tratamiento térmico.

El comportamiento de adsorción de diferentes partículas de óxido de zinc hacia iones Ni se representó utilizando los resultados del análisis AAS (Fig. 6). En términos de partículas de óxido de zinc preparadas, la adsorción aumenta al disminuir la relación nanozincita/microzincita. Eso significa que cuanto mayor es la cantidad de microcincita, más Ni2+ se adsorbe. La adsorción de Ni2+ en la superficie de las partículas de ZnO está influenciada por la concentración inicial de la solución que contiene Ni2+. A una concentración inicial de Ni más alta, la cantidad de níquel adsorbido es mayor en el caso del ZnO preparado, de acuerdo con la ecuación. (1):

donde Cads es la concentración adsorbida en mol/m2, Cin es la concentración inicial de la solución de Ni2+ en mol/mL, φ es la relación nanocincita/microcincita.

En el caso de las muestras tratadas térmicamente, se exhibió un efecto similar a la concentración inicial de la solución que contenía Ni2+. Significa que a una concentración inicial más alta, la cantidad de Ni adsorbido es mayor según la ecuación. La cantidad de Ni2+ adsorbida disminuye con la disminución de la relación nanozincita/microzincita, en el siguiente orden: ZnO sin dopar, Cs:ZnO y Rb:ZnO. La menor cantidad de Ni2+ se puede adsorber en la superficie del Rb:ZnO tratado térmicamente. Durante el tratamiento térmico las muestras pierden los grupos -OH de su superficie. Se supone que la cantidad perdida de grupos –OH aumenta en el siguiente orden: ZnO sin dopar, Cs:ZnO y Rb:ZnO.

Adsorción de iones Ni2+ en función de la relación nanozincita/microzincita de la muestra.

Se sintetizaron y caracterizaron partículas de óxido de zinc con y sin dopado específicamente para la eliminación de iones Ni en soluciones acuosas. Se eligieron materiales alcalinotérreos K+, Rb+ y Cs+ de número atómico creciente como dopantes para el estudio.

La microestructura del ZnO pasó de tener forma de flor a tener forma de varilla en función de la masa atómica del catión dopante y fue causada por las diferencias en la energía superficial de los iones K+, Rb+ y Cs+. Se espera que los factores de crecimiento de los cristales sigan una combinación de teoría clásica y no clásica basada en la concentración de la solución y la energía superficial de los materiales alcalinos.

La inclusión de dopantes y el tratamiento térmico afectan a las fracciones cristalinas de las partículas de ZnO. La fase de hidrozincita se ve solo en Rb:ZnO y no en otros dopantes en el caso de muestras preparadas. Podría ser la causa de una mayor adsorción de Rb: ZnO en muestras preparadas con concentraciones de Ni más bajas. Además, el contenido amorfo en las muestras preparadas aumentó del 2 al 10% en peso en relación con el número atómico del material dopante para ZnO puro y Cs:ZnO, respectivamente. La adsorción de iones de Ni por muestras de ZnO preparadas tiene una tendencia creciente según la relación nanozincita/microzincita de las muestras obtenidas mediante el análisis de Reitveld. En el caso de las muestras tratadas térmicamente, estas se recristalizaron en una fracción nanocristalina de las partículas. Lo que lleva a una superficie más homogénea y una menor proporción de micro a nanozincita.

En términos de partículas de óxido de zinc preparadas, la adsorción aumenta al disminuir la relación nanozincita/microzincita. Eso significa que cuanto mayor era la cantidad de microzincita, más Ni2+ se adsorbía. La adsorción de Ni2+ en la superficie de las partículas de ZnO está influenciada por la concentración inicial de la solución que contiene Ni2+. La muestra de Rb:ZnO tiene la proporción más baja de nanozincita/microzincita y esta muestra puede absorber la mayor cantidad de iones Ni de la solución que contiene Ni2+.

Por el contrario, las muestras después del tratamiento térmico mostraron el mejor comportamiento de adsorción en el caso de las muestras de K:ZnO, su relación nanozincita/microzincita es menor. La cantidad de Ni2+ adsorbida disminuye al disminuir la relación nanozincita/microzincita, en el siguiente orden: ZnO sin dopar, Cs:ZnO y Rb:ZnO. Este comportamiento se supone debido a la pérdida de los grupos OH durante el tratamiento térmico.

Así, nuestro estudio nos permite comprender los efectos de diferentes dopantes y métodos de tratamiento para una mejor eliminación de los iones de Ni. Baje la proporción de nano a micro zincita y mejor la adsorción. Además, las partículas con forma de flor tienen mejor adsorción que las barras (dopadas con Cs+) en ambos casos. Los resultados concluidos son específicos para los iones de Ni; la tendencia puede variar para diferentes contaminantes dependiendo de su interacción y tendencia de adsorción. Además, nuestros resultados nos ayudarán a formular partículas precisas, estudiar diferentes modelos de isotermas de adsorción y fabricar una mejor solución para el tratamiento del agua.

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El trabajo de investigación presentado en este artículo se basa en los resultados alcanzados dentro del proyecto GINOP-2.3.2-15-2016-00027. Innovacios Laboratorium Ltd., (Miskolc, Hungría) proporcionó el microscopio electrónico de barrido de emisiones de campo (SEM) Hitachi S-4800 equipado con el sistema de espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDS) Bruker AXS.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Universidad de Miskolc.

Instituto de Metalurgia Física, Conformación de Metales y Nanotecnología, Universidad de Miskolc, Miskolc-Egyetemváros, 3515, Hungría

Nithyapriya Manivannan, Anna Sycheva y Peter Baumli

Grupo de investigación en ciencia de materiales MTA-ME, ELKH, Miskolc, 3515, Hungría

Anna Sycheva

Instituto de Mineralogía y Geología, Universidad de Miskolc, Miskolc-Egyetemváros, 3515, Hungría

Ferenc Kristály

Instituto de Química, Universidad de Miskolc, Miskolc-Egyetemváros, 3515, Hungría

Gabor Muránszky

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NM: Investigación, Escritura—borrador original. AS: Investigación SEM, Visualización. FK: análisis XRD, discusión. GM: medidas del CULO. PB: Conceptualización, Revisión y Edición.

Correspondencia a Anna Sycheva o Peter Baumli.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Manivannan, N., Sycheva, A., Kristály, F. et al. Diferencias estructurales y comportamiento de adsorción de nanopartículas de óxido de zinc dopadas con metales alcalinos. Informe científico 12, 2292 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-06092-z

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Recibido: 03 de junio de 2021

Aceptado: 01 de noviembre de 2021

Publicado: 10 de febrero de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-06092-z

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