Nanopartículas de Óxido de Zinco Dopadas com Magnésio: Otimização da Degradação Fotocatalítica e Eficácia Antibacteriana

Resumo

Usando abordagem simples de co-precipitação, sintetizamos nanopartículas (NPs) puras e ZnO dopado com Mg com 0-7,5 mol% Mg. Difração de raios-X confirmou fase única hexagonal wurtzita, enquanto MEV revelou grãos na nanoescala (30-110 nm) com morfologia hexagonal. Incorporação de Mg reduziu a banda proibida de 3,36 para 3,04 eV e produziu borda de absorção deslocada para o vermelho. Fotoluminescência mostrou emissão visível aumentada entre 430 e 600 nm, indicativa de densidade de defeitos aumentada. Em testes fotocatalíticos, 7,5% Mg-ZnO alcançou 78% de degradação de Rodamina B sob irradiação UV-Vis. Ensaios antibacterianos contra cepas Gram-positivas (S. aureus) e Gram-negativas (E. coli, Proteus) demonstraram que dopagem com Mg intensificou progressivamente diâmetros de zona de inibição, confirmando desempenho antimicrobiano superior.

Introdução

Nanopartículas exibem propriedades dependentes de tamanho que permitem interações com sistemas biológicos e poluentes ambientais. Óxido de zinco (ZnO) é semicondutor custo-efetivo, quimicamente estável, amplamente usado em protetores solares, fotocatálise e aplicações antibacterianas. Dopagem de ZnO com metais divalentes como Mg pode ajustar sua banda proibida óptica, química de defeitos e reatividade superficial, aumentando assim atividades fotocatalítica e antimicrobiana. Mg, sendo menor que Zn, substitui Zn²⁺ na rede, induzindo tensão e criando lacunas de oxigênio que servem como sítios ativos para separação de portadores de carga e geração de espécies reativas de oxigênio (EROs).

Métodos

Reagentes de grau analítico (Sigma-Aldrich) foram usados sem purificação adicional. ZnCl₂ e MgCl₂ foram misturados em razões molares de 0,975:0,025, 0,950:0,050 e 0,925:0,075 para obter 2,5%, 5% e 7,5% Mg-ZnO dopado, respectivamente. Solução 1 M de NaOH foi adicionada gota a gota à mistura de cloretos metálicos sob agitação vigorosa; o precipitado resultante foi envelhecido por 6 h, filtrado, lavado com água desionizada e acetona, seco a 100 °C, moído e calcinado a 300 °C por 4 h. A rota de co-precipitação rende partículas nanométricas de alta pureza em condições ambientes.

Propriedades estruturais, morfológicas e ópticas foram caracterizadas por DRX (Bruker D8, Cu Kα, λ = 1,54056 Å), MEV-CE (ZEISS), espectroscopia UV-Vis (Hitachi U-3900H) e fotoluminescência (Job HR800, laser He-Cd 325 nm). Atividade antibacteriana foi avaliada via difusão em disco de ágar contra cepas de E. coli, S. aureus e Proteus.

Resultados e Discussão

Análise Estrutural

Padrões DRX (Fig. 2) exibiram picos característicos a 31,8°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,7°, 62,9° e 68°, confirmando estrutura hexagonal wurtzita (JCPDS 36-1451). Nenhuma fase secundária foi detectada. Intensidades de pico diminuíram com aumento de Mg, indicando leve perda de cristalinidade devido a distorção de rede. Pico (101) deslocou-se para ângulos menores, consistente com Mg²⁺ (raio iônico = 0,57 Å) substituindo Zn²⁺ (0,60 Å). Tamanhos de cristalito, calculados via equação de Scherrer, aumentaram de ~35 nm (puro) para ~70 nm (7,5% Mg). Tabela 1 resume parâmetros de rede, frações de empacotamento atômico e valores de tensão.

Morfologia e Composição

Imagens MEV-CE (Fig. 3) mostram grãos hexagonais bem definidos variando de 30 a 110 nm, com maior teor de Mg resultando em melhor dispersão. Espectros EDS (Fig. 4) confirmam presença de Zn, Mg e O, com intensidade de Mg correlacionando ao nível de dopagem e nenhum elemento extrâneo detectado.

Propriedades Ópticas

Absorção UV-Vis (Fig. 5a) revela absorbância aumentada e borda de absorção deslocada para o vermelho conforme teor de Mg sobe. Gráficos de Tauc (Fig. 5b) resultam em bandas proibidas decrescendo de 3,36 eV (puro) para 3,04 eV (7,5% Mg), refletindo confinamento quântico aumentado e estados induzidos por defeitos.

Fotoluminescência

Espectros PL (Fig. 6) exibem pico UV forte (~400 nm) e banda visível ampla (450-620 nm). Emissão visível intensifica com dopagem de Mg, indicando mais lacunas de ânions superficiais e melhor separação elétron-buraco.

Desempenho Fotocatalítico

Sob irradiação UV de 125 W (311 nm), 7,5% Mg-ZnO alcançou 78% de degradação de Rodamina B após 120 min, superando ZnO puro (≈20%). Análise cinética (Fig. 9) mostra constantes de velocidade de primeira ordem aumentando de 1,09 × 10⁻³ para 1,26 × 10⁻² min⁻¹ com teor de Mg, confirmando dinâmica de portadores de carga aprimorada. A melhoria é atribuída a área superficial aumentada, lacunas de oxigênio e sumidouros de elétrons efetivos fornecidos pela incorporação de Mg.

Atividade Antibacteriana

Ensaios de difusão em disco (Fig. 10) revelam que NPs de Mg-ZnO inibem tanto bactérias Gram-positivas quanto Gram-negativas. Zonas de inibição aumentam com porcentagens maiores de Mg, atingindo 18 mm contra E. coli e 20 mm contra S. aureus para 7,5% Mg-ZnO. Geração aumentada de EROs e banda proibida reduzida facilitam ação antimicrobiana mais forte.

Conclusões

Dopagem de Mg via co-precipitação produz NPs de ZnO fase-puras com morfologia ajustável, banda proibida reduzida e densidade de defeitos aumentada. 7,5% Mg-ZnO entrega degradação fotocatalítica superior de corantes orgânicos e potente atividade antibacteriana, tornando-o candidato promissor para remediação ambiental e aplicações antimicrobianas.