Structural, optical and photocatalytic properties of Bi1-xAxFeO3 (A = Ca, Sr) synthesized by Pechini method

Abstract

En el presente trabajo se investigó el efecto del dopaje con cationes de Ca y Sr en las propiedades estructurales y fotocatalíticas del BiFeO3 (BFO). Se prepararon series de polvos de BFO dopado a diferentes concentraciones de Ca y Sr (Bi1 xAxFeO3, x = 0, 0.05, 0.10, 0.15; A = Ca, Sr) por medio del método Pechini modificado. Los resultados de XRD revelaron la formación de la estructura romboédrica (R3c) en todos los materiales sintetizados, así como la incorporación de los iones de Ca2+ and Sr2+ en la estructural de BFO. El tamaño promedio del cristalito en las nanopartículas de BFO se calculó usando la ecuación de Scherrer; los tamaños de cristalito resultaron dentro del rango de 23 – 55 nm. Además, El porcentaje de fases en los compuestos se determinó por medio del refinamiento Rietveld. Los resultados de SEM mostraron cambios en el tamaño de grano de las muestras, lo cual fue atribuido al aumento de vacancias de oxígeno. Los resultados de la espectroscopía UV-Vis mostraron una disminución gradual en los valores de banda prohibida conforme la concentración de dopante aumentaba. El análisis superficial por XPS reveló los picos característicos de bismuto y hierro en los compuestos de BiFeO3, así como los picos de Ca y Sr en las muestras dopadas. La actividad fotocatalítica de los fotocatalizadores de BCaFO y BSrFO se evaluó por medio de la degradación de azul de metileno y 4-clorofenol. Se observó que la actividad fotocatalítica se vio afectada por la concentración de dopante. Las muestras de BCaFO y BSrFO mostraron una mayor respuesta comparadas con la muestra de BiFeO3 sin dopar, esto debido a que la sustitución con iones alcalinos optimizó tanto la absorción de luz visible como la efectiva separación de electrones y huecos en las muestras dopadas de BFO. Finalmente, se observó que las vacancias de oxígeno en la superficie, inducidas por el dopaje con Ca y Sr, inhibieron la recombinación de pares electrón-hueco, lo cual propició la efectiva transferencia de transportadores de carga fotogenerados hacia la superficiales.