Nanosheet Nitrid Bor Dobi Bismuth: Performa Elektronik dan Optik yang Ditingkatkan dari Teori dan Eksperimen
Abstrak
Dalam karya ini, nanosheet nitrid bor (BN) disiapkan melalui eksfoliasi fasa cair BN massal sementara berbagai rasio wt. (2,5, 5, 7,5 dan 10) bismut (Bi) disatukan sebagai dobi menggunakan teknik hidrotermal. Temuan kami menunjukkan bahwa penelitian optik menunjukkan spektrum penyerapan di dekat wilayah UV. Perhitungan fungsi densitas teori menunjukkan bahwa doping Bi telah menyebabkan berbagai modifikasi dalam struktur elektronik nanosheet BN dengan menginduksi status gap lokal baru di sekitar tingkat Fermi. Ditemukan bahwa energi band gap berkurang seiring peningkatan konsentrasi dobi Bi. Oleh karena itu, dalam analisis spektrum penyerapan yang dihitung, redshift telah diamati di tepi penyerapan, yang konsisten dengan observasi eksperimental. Selain itu, nanosheet BN induk dan Bi-dobi dievaluasi untuk potensi katalitik dan antibakteri. Aktivitas katalitik nanosheet BN bebas dobi dan dobi dievaluasi dengan mengevaluasi performa mereka dalam proses reduksi/degradasi warna. Aktivitas bakterisida nanosheet BN dobi Bi menghasilkan efisiensi yang ditingkatkan yang diukur pada 0–33,8% dan 43,4–60% terhadap S. aureus dan 0–38,8% dan 50,5–85,8% terhadap E. coli, masing-masing. Selain itu, prediksi penyusunan molekular in silico dalam sejalan dengan aktivitas bakterisida in vitro. Nanosheet BN dobi Bi menunjukkan nilai ikatan yang baik terhadap DHFR dari E. coli (− 11,971 kcal/mol) dan S. aureus (− 8,526 kcal/mol) sementara nilai ikatan untuk DNA gyrase dari E. coli (− 6,782 kcal/mol) dan S. aureus (− 7,819 kcal/mol) mengusulkan enzim yang dipilih sebagai target yang mungkin.
Pendahuluan
Berbagai kimia, senyawa organik, dan limbah industri menimbulkan polusi lingkungan yang mengakibatkan konsekuensi serius bagi kehidupan manusia, hewan, dan akuatik [1, 2]. Karena alasan ini, teknologi pengolahan air limbah yang inovatif dan ramah lingkungan semakin banyak dibutuhkan [3, 4]. Jutaan orang kehilangan nyawa setiap tahunnya karena air yang tercemar [5, 6]. Hampir setiap tahun penggunaan warna ~ 10.000 di sektor industri; di antaranya, sumber utama adalah metilen biru (MB) yang digunakan 10–15% di atmosfer dan kehidupan akuatik [7,8,9,10]. MB adalah warna anilin sederhana dengan rumus molekuler C16H18N3SCl yang digunakan secara luas untuk mewarnai kapas, wol, dan sutra serta mengobati metahemoglobinemia dan racunan sianida. Digunakan oleh biolog untuk mewarnai sampel jaringan dan mendeteksi asam nukleat. Namun, warna ini memiliki sejumlah efek negatif pada baik manusia dan satwa liar. Akibatnya, menghapus warna dari drainase penting bagi kesejahteraan manusia dan kehidupan akuatik [11, 12].
Metode konvensional yang digunakan untuk eliminasi berbagai kontaminan dari air termasuk presipitasi, elektrolisis, flokulasi, fotokatalisis, filtrasi membran, pertukaran ion, osmosis terbalik dan pengolahan biologis [13, 14]. Dalam metode ini, aktivitas katalitik (CA) banyak digunakan karena pendekatannya yang hemat biaya dan berkelanjutan lingkungan [15]. CA terdiri dari agen reduksi dan nanokatalis yang merupakan sampel yang disiapkan untuk menguraikan warna sintetis seperti MB yang merupakan bagian dari studi saat ini [16,17,18].
Persyaratan meningkat untuk memurni air limbah telah mengarah pada pengembangan dan penggunaan kelas baru nanomaterial yang dikenal sebagai materi dua dimensi (2D-Mats). Penggunaan materi ini dipicu oleh penemuan grafen [19,20,21]. Saat ini, berbagai 2D-Mats telah disintesis termasuk disulfida molibdenum (MoS2) dan MXene (Dirac 2D-Mats) [22, 23]. Nitrid bor dianggap sebagai kelas MXene yang menjanjikan [24, 25]. Nanosheet BN memiliki beberapa properti menarik termasuk performa dielektrik, stabilitas kimia dan termal, energi band gap langsung dan ultraviolet dalam, membuatnya cocok untuk digunakan dalam berbagai aplikasi terutama untuk pengolahan air dan aktivitas antimikroba [24, 26, 27]. Untuk menyatakan tugas ini strategi kaya bismut atau doping dengan berbagai elemen logam transisi (yaitu Bi) adalah metodologi yang paling dapat diakses. Bi memiliki penampilan luar biasa dibandingkan dengan lainya menunjukkan warna-abu-putih dengan sentuhan kemerahan (noda kekemerahan). Bi membentuk senyawa kimia dalam keadaan oksidasi + 3 dan + 5. Senyawa Bi digunakan sebagai nanokatalis untuk pengolahan air limbah dan juga merupakan agen antimikroba yang baik ketika digunakan sebagai dobi dalam 2D-Mats seperti BN seperti yang dibahas di atas [28,29,30,31].
Di atas itu, nanosheet BN juga dapat digunakan dalam sektor biomedis sebagai agen antimikroba dengan tujuan melindungi dari berbagai bakteri [32]. Mastitis ditandai oleh perubahan fisikokimia dan pato-biologis pada jaringan parenchima susu, yang memiliki dampak ekonomi langsung di seluruh dunia. Manusia berisiko tinggi menderita penyakit zoonotik seperti leptospirosis, radang tenggorokan streptokok, brucelosis, dan tuberkulosis karena konsumsi susu mastitis [33]. Secara umum, agen etiologi infeksi yang melibatkan bakteri dan virus dikategorikan menjadi dua kelas. Kategori pertama meliputi Staphylococcus aureas (S. aureus), Coliform, Corynebacterium, Streptococci dan Escherichia coli (E. coli). Kategori kedua terdiri dari Corynebacterium bovis dan coagulase-negative Staphylococci [2, 32, 34, 35]. Di antaranya, yang lebih menonjol adalah Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus (MRSA) karena berkontribusi pada sejumlah besar kematian di seluruh dunia. Resistensi antibiotik telah muncul pada bakteri patogen Gram-positif dan Gram-negatif, menimbulkan risiko serius bagi kesehatan manusia [36]. Selain itu, penyakit diare yang disebabkan oleh kehadiran bakteri E. coli dalam air menghasilkan 1,3 juta kematian anak di bawah usia lima tahun setiap tahunnya. Sebagai agen antibakteri, BN melindungi dari patogen berbahaya ini [37]. Karena kompatibilitas biologis Bi, sintesis dan penggunaan Bi dalam berbagai bentuk seperti garam Bi, NP, dan nanomaterial sebagai antimikroba telah menerima perhatian yang besar [38]. Infeksi yang disebabkan oleh Helicobacter pylori (H. pylori) saat ini diobati dengan campuran garam organik Bi dan antibiotik [39, 40]. Stres oksidatif yang diciptakan oleh struktur nano bergantung pada ukurannya; konsentrasi dan bentuk karena struktur nano ukuran kecil menghasilkan spesies reaktif oksigen (ROS) yang terikat lebih efisien di dalam membran bakteri dalam implan yang mengakibatkan ekstrusi konten sitoplasma dan merusak DNA, protein, dan enzim bakteri [41,42,43]. Selain produksi ROS, antarmuka kationik yang kuat dari struktur nano dengan bagian membran sel bakteri yang bermuatan negatif menghasilkan aktivitas bakterisida yang unggul pada konsentrasi tinggi yang mendorong runtuhnya sel bakteri [44, 45].
Dalam studi saat ini, nanosheet BN disiapkan dengan teknik eksfoliasi kimia sementara bismut (Bi) disatukan sebagai dobi menggunakan teknik hidrotermal. CA dari bahan yang disintesis ditentukan dalam hal reduksi MB yang berbahaya. Selain itu, aktivitas antibakteri dievaluasi terhadap E. coli dan S. aureus. Untuk mengidentifikasi mekanisme tindakan yang mungkin, studi penyusunan molekular nanosheet BN dobi Bi dilakukan terhadap enzim dihydrofolat reduktase (DHFR) dari jalur biosintesis folat bersama DNA gyrase dari jalur biosintesis asam nukleat yang dimiliki baik oleh E. coli dan S. aureus. Perhitungan teori fungsi densitas primer dilakukan untuk menghitung struktur stabil, properti elektronik dan optik nanosheet BN asli dan dobi Bi.
Metode
Studi saat ini adalah dampak nanosheet BN dobi Bi pada properti elektronik dan optik menggunakan perhitungan teoretis dan eksperimen: degradasi warna, perilaku antibakterisida dan analisis penyusunan molekular.
Detail Eksperimen
Bubuk BN massal (98%), dimetilformamida (DMF) diperoleh dari Sigma-Aldrich, Jerman. Nitrid bismut pentahidrat Bi(NO3)3·5H2O (98%) dari BDH laboratory supplies Poole, Inggris. Semua kimia yang diterima digunakan tanpa perawatan pemurnian.
Untuk menghasilkan nanosheet BN, eksfoliasi fasa cair BN massal dilakukan. 200 mg bubuk BN massal dilarutkan dalam DMF (50 ml) dan diaduk selama 15 menit. Selanjutnya, larutan yang terlarut diultrasonik selama 12 jam pada 50 °C seperti diilustrasikan dalam Gambar 1a. Suspensi diultrasonik ini diusap pada 3500 rpm selama 20 menit [46]. Nanosheet yang dikumpulkan kemudian dobi dengan Bi menggunakan nitrid bismut pentahidrat Bi(NO3)3·5H2O sebagai sumber Bi dengan metode hidrotermal. Berbagai konsentrasi dobi Bi (2,5, 5, 7,5 dan 10 wt%) ditambahkan ke nanosheet BN secara terpisah pada rasio tetap (0,025:1, 0,05:1, 0,075:1 dan 0,1:1) dalam wadah Teflon dan dipindahkan ke autoclave selama 12 jam pada 200 °C seperti ditunjukkan dalam Gambar 1b. Setelah itu, autoclave didinginkan dan produk yang dihasilkan dicuci berulang kali dengan agen pembersih seperti etanol dan air deionisasi untuk menghilangkan impurities, dan larutan dikeringkan pada 100 °C dalam oven vakum.
Representasi skematis a eksfoliasi fasa cair BN massal; b sintesis hidrotermal; c aktivitas katalitik
Tarikan Van der Waals adalah gaya predominan di antara lapisan yang tertumpuk dari BN massal. Interaksi Van der Waals ini harus diatasi untuk mengeksfoliasikan lapisan yang tertumpuk. Ini dilakukan melalui interkalasi pelarut organik ke dalam lapisan diikuti dengan perkenalan gaya mekanis yang diperoleh dari ultrasonik mandi ultra. Pelarut yang tegangan permukaannya cocok dengan BN adalah pelarut ideal untuk disperasi yang baik dari BN massal, karena mereka meminimalkan tegangan antarmuka antara pelarut dan BN. Itulah sebabnya kami telah mengadopsi DMF karena tegangan permukaannya cocok dengan grafen (37,1 m J m⁻²) dan BN analog dengan grafen jadi ini adalah pelarut yang cukup sesuai untuk menyebarkan nanosheet BN [47].
Radiasi ultrasonik menyebar melalui medium, molekul pelarut ditekan dan meregang yaitu mulai berosilasi sekitar posisi rata-rata mereka sehingga mengembangkan daerah tekanan tinggi yang dapat disebut daerah kompresi dan tekanan negatif sebagai meregang. Ketika tekanan negatif tidak cukup besar untuk mempertahankan molekul cair utuh, maka hancuran cair terjadi membentuk rongga (gelembung kavitasi). Gelembung kavitasi ini akan runtuh dengan keras di daerah tekanan tinggi dan berperilaku seperti reaktor mikro, menghasilkan suhu lokal beberapa ribu derajat dan tekanan tinggi beberapa ratus atmosfer yang cukup untuk mengatasi gaya tarik antarsheet dan sehingga menginduksi eksfoliasi [48, 49].
Aktivitas Katalitik
Potensi katalitik dievaluasi dengan melakukan degradasi warna MB dalam kehadiran borohydride natrium (NaBH4) yang berfungsi sebagai agen reduksi. Pertama, jumlah yang sesuai dari warna dan redukan dicairkan dalam air deionisasi untuk menyiapkan larutan air. Eksperimen katalitik dilakukan dengan menggunakan semua sampel yang disiapkan sebagai nanokatalis. Degradasi warna diukur dengan menambahkan larutan NaBH4 (600 μl) ke MB (10 ml) dalam sel kuarsa. Nilai yang perlu disebutkan di sini adalah NaBH4 tidak dapat menguraikan warna, oleh karena itu berfungsi hanya sebagai agen reduksi. Selain itu, setiap katalis (4 mg) ditambahkan secara terpisah ke dalam larutan precurzor untuk menyelidiki efisiensi katalitik untuk degradasi warna. Reduksi warna diukur dengan mengambil spektrum penyerapan dalam rentang 450–750 nm dengan spektrofotometer UV–vis. Dalam hal ini, dekoloran metilen biru dianggap sebagai indikasi degradasi warna yang berhasil. Ilustrasi skematis aktivitas yang dilakukan dengan BN murni dan berbagai konsentrasi dobi ditunjukkan dalam Gambar 1c. Ilustrasi di sisi kiri mengindikasikan aktivitas yang dilakukan sementara di sisi kanan menunjukkan konsentrasi degradasi terkait waktu setelah mengambil spektrum penyerapan dengan spektroskopi UV–Vis.
Aktivitas Antimikroba
Penilaian in vitro potensi antimikroba BN dobi Bi dilakukan melalui metode difusi lubang dengan menyosokkan 1,5 × 10⁸ CFU/mL isolat bakteri G+ve dan –ve pada MSA dan MA, masing-masing seperti ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S1. Berbagai rasio BN dobi Bi (500 μg/50 μl) dan (1000 μg/50 μl) diinisialkan sebagai dosis rendah dan tinggi dalam lubang (6 mm) pada piring MSA dan MA Berkas Tambahan 1: Gambar S1. Ciprofloxacin (5 μg/50 μl) dan DIW (50 μl) ditandai sebagai kontrol positif (+ve) dan negatif (−ve). Evaluasi antibakteri terbukti dengan pengukuran zona inhibisi (mm) menggunakan penggaris vernier setelah inkubasi piring Petri selama semalaman pada 37 °C [50]
Karakterisasi Bahan
Difraktometer sinar X (XRD) dari Bruker (D2 Phaser, AS) dilengkapi dengan Cu-Kα (λ = 0,154 nm) digunakan dengan sudut difraksi (2θ) dari 10° hingga 60° dengan laju pindaian 0,05/min untuk menentukan karakteristik struktural bahan yang disintesis. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) (spektrometer Perkin Elmer) dengan akurasi gelombang dalam ± 0,01 cm⁻¹ digunakan untuk menguraikan sidik jari IR. Properti optik dievaluasi menggunakan GENESYS-10S UV–Vis dengan laju pindaian 5 nm/s dan rentang spektrum penyerapan 200–800 nm dan studi fotoluminescens dilakukan dengan JASCO FP-8200 spectrofluorometer dengan laju pindaian 10 nm/s. Morfologi permukaan dan mikrostruktur dipelajari menggunakan mikroskop elektron pencemaran emisi lapangan (FESEM model JSM 6460LV) dilengkapi dengan spektrometer sinar X dispersif energi (EDS) dan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi JEOL JEM 2100F (HR-TEM).
Detail Komputasi
Perhitungan primer kami dilakukan dengan kerangka komprehensif DFT seperti yang diimplementasikan dalam perangkat lunak QuantumATK [51] menggunakan pendekatan kombinasi orbital atom lokal (LCAO). Fungsi korelasi pertukaran dilakukan oleh Perdew, Burke, Ernzerhof (PBE) yang terhubung dengan pendekatan gradien umum (GGA) [52]. Pseudopotensi norm-conserving PseudoDojo [53] digunakan untuk menggambarkan interaksi antara elektron dan ion, dan elektron valensi Wilayah Brillouin dilakukan menggunakan grid k-point khusus Monkhorst–Pack 4 × 4 × 1 untuk relaksasi struktural dan 7 × 7 × 1 untuk perhitungan properti elektronik. Perhitungan medan konsisten (SCF) diambil dalam batas toleransi 10⁻⁶ Ha untuk konvergensi energi. Struktur geometri dan relaksasi ion dilakukan dengan menggunakan algoritma Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno memori terbatas (LBFGS), termasuk gaya pada setiap atom kurang dari 0,05 eV/Å. Karena efek relativistik yang kuat akibat kehadiran dobi Bi yang berat, kontribusi kopling spin-orbit (SOC) dipertimbangkan dalam perhitungan struktur elektronik.
Hasil dan Pembahasan
Struktur dan Properti Elektronik
XRD digunakan untuk menyelidiki identifikasi fase, kristalinitas, dan bidang kristalografi nanosheet BN kontrol dan dobi Bi seperti diilustrasikan dalam Gambar 2a. Refleksi XRD yang diidentifikasi pada nilai 2θ sekitar 26,9°, 41,3°, 43,46°, dan 50,2° masing-masing diindeks sebagai bidang kristalografi (002), (100), (101), dan (102). Bidang kristalografi yang terdeteksi harmoni dengan spektrum standar (referensi JCPDS #00-034-0421) [54, 55]. Kejernaan dan intensitas puncak menunjukkan pembentukan lapisan tipis BN dan penumpukan lemah NS di arah c yang diinginkan [46]. Pergeseran puncak terkait sudut difraksi terdeteksi dalam refleksi XRD, yang menyiratkan pemasukkan dobi. Jarak antar lapisan (nilai d) dari refleksi karakteristik (d002) ditemukan sekitar 0,34 nm seperti yang dievaluasi melalui hukum Bragg (nλ = 2d sin θ) dan berkorelasi dengan hasil HR-TEM (lihat Berkas Tambahan 1: Gambar S4). Nilai d dari bidang yang sesuai ditandai dengan fitur signifikan yang berkaitan dengan properti adsorpsi dan transport molekuler BN yang berfungsi untuk meningkatkan performa katalitiknya [56]. Profil SAED yang sesuai dari BN murni yang direpresentasikan dalam Gambar 2b terdiri dari lingkaran cerah yang menunjukkan kristalinitas sampel yang tinggi. Lingkaran yang terdeteksi ini sepadan dengan pola XRD dan data standar [26, 57, 58]. Morfologi permukaan bahan yang disintesis dijelajahi menggunakan FESEM dan lebih lanjut dikonfirmasi melalui analisis HR-TEM. Jarak antar lapisan dievaluasi dengan perangkat lunak Gatan digital micrograph menggunakan citra HR-TEM, yang ditemukan konsisten dengan hasil XRD; sementara spektrum EDS menunjukkan sinyal kuat yang berasal dari bahan murni serta dobi. Hasil optimisasi dari perhitungan primerungkap menunjukkan bahwa Bi dapat digantikan dan stabil ke dalam nanosheet BN dengan berbagai konsentrasi. Status kotoran karena atom Bi memperkenalkan penyerapan energi sub-bandgap dalam daerah energi band gap elektronik yang mungkin meningkatkan aktivitas katalitik. Penyelidikan degradasi warna melalui eksperimen CA menghasilkan proses yang efisien dan cepat. Selain itu, nanosheet BN murni dan dobi berfungsi sebagai nanokatalis yang stabil, dapat digunakan kembali, dan luar biasa untuk pengolahan air limbah. Selain itu, efisiensi antimikroba nanosheet BN dobi terhadap S. aureus dan E. coli yang diisolasi secara langsung dari susu mastitis kambing menghasilkan nilai kuantitatif yang signifikan. Prediksi in silico terhadap target enzim yang dipilih yaitu DHFR dan DNA gyrase dari E. coli dan S. aureus dalam sejalan dengan aktivitas bakterisida in vitro sehingga membuka horizon baru untuk penggunaan nanomaterial dobi sebagai agen potensial untuk prosedur antimikroba dan CA. Perhitungan teoretis dalam sejalan dengan nilai eksperimental. Studi teoretis menunjukkan bahwa doping substitusional Bi dengan berbagai konsentrasi stabil. Selain itu, doping Bi menyebabkan berbagai modifikasi dalam struktur elektronik nanosheet BN dengan menginduksi status gap lokal baru di sekitar tingkat Fermi. Akhirnya, berdasarkan hasil ini, dapat disimpulkan bahwa nanosheet BN dobi Bi adalah bahan yang cocok untuk digunakan dalam aplikasi air limbah industri, dan pengobatan antimikroba.
a Pola XRD nanosheet BN induk dan dobi Bi dengan berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5 dan 10 wt%); b Pola SAED yang diperoleh dari nanosheet BN; c Spektrum FTIR; d Spektrum PL
FTIR digunakan untuk menyelidiki sidik jari IR nanosheet BN induk dan dobi Bi seperti ditunjukkan dalam Gambar 2c. Spektrum yang diperoleh menampilkan dua puncak karakteristik yang berasal dari BN pada 750 dan 1365 cm⁻¹ yang dapat dikaitkan dengan B–N–B (getaran bending) serta B–N (getaran stretching). Puncak inti ini terkait dengan mode A2u (keluar dari bidang) serta mode E1u (di dalam bidang) [56, 59]. Seperti disebutkan mode A2u adalah mode keluar dari bidang yang sesuai dengan energi 96,4 meV, sementara E1u sesuai dengan mode di dalam bidang yang lebih terbagi menjadi dua mode pertama adalah mode optik longitud E1uTO dan kedua adalah transversal optik E1uLO dengan energi 169,4 dan 199,6 meV masing-masing, karena interaksi Coulomb jarak jauh seperti yang ditunjukkan oleh Michel dan Verberck [60]. Dalam karya mereka, mereka membandingkan dua relasi dispersi fonon yang dihitung tanpa dan dengan gaya Coulomb jarak jauh, masing-masing. Perubahan di antara dua perhitungan tersebut sesuai dengan pembelahan LO-TO. Karena interaksi Coulomb yang memecah bidang simetri di BN yang mengakibatkan pembelahan fonon optik longitud dan transversal [61]. Ilustrasi skematis mode-mode ini ditunjukkan dalam Gambar 2c. Puncak tambahan terdeteksi pada 1170 cm⁻¹ dikaitkan dengan getaran stretching boron oksinitrid (N–B–O). Pita lebar pada 3433 cm⁻¹ sesuai dengan getaran stretching O–H [62].
Spektroskopi PL digunakan untuk mengonfirmasi migrasi, transfer, dan rekombinasi eksiton dalam sampel seperti ditunjukkan dalam Gambar 2d. Spektrum yang diekstrak ditandai dengan panjang gelombang excitasi yaitu λex = 390 nm dan panjang gelombang emisi yang sesuai λem = 420 nm. Karena materi nano relatif sensitif terhadap panjang gelombang excitasi, spektrum emisi didasarkan pada nilai λex [59]. Spektrum PL BN undoped dan dobi Bi menunjukkan puncak asimetrik yang terletak sekitar 420 nm ke atas. Puncak asimetrik yang terdeteksi dalam spektrum PL menyiratkan keberadaan spesies luminesens dan/atau multi-flurofor. Studi literatur menyiratkan keberadaan spesies seperti boron–oksigen dianggap sebagai pusat luminesens baru dalam sistem BN [63]. Luminesensi yang ditemukan sekitar 460 nm mewakili dimulainya transisi elektronik. Transisi elektronik ini melibatkan transisi individu/bersama yang terletak antara keadaan 2p dari band BN [64]. Exsitasi elektron (e⁻) dari valensi ke konduksi berfungsi untuk meningkatkan intensitas luminesensi dan energi cahaya excitasi. Transisi ini pada 460 nm sesuai dengan puncak energi sekitar 2,7 eV [65]. Perlu disebutkan bahwa sampel disiapkan dengan jumlah, laju pertumbuhan, serta durasi yang sama, tetapi perbedaan sedikit dalam intensitas semua sampel untuk spektrum PL dapat dikaitkan dengan kurangnya domain h-BN per satuan luas yang berpartisipasi dalam luminesensi [66]. Rekombinasi dan pemisahan eksiton maksimum sesuai dengan puncak tertinggi dan terendah dalam spektrum PL masing-masing [67].
Properti optik BN induk dan nanosheet BN dobi Bi ditentukan melalui spektrum penyerapan yang diperoleh menggunakan spektroskopi UV–Vis. Munculnya penyerapan di dekat wilayah UV diamati seperti diilustrasikan dalam Gambar 3a. Penyerapan maksimum untuk nanosheet BN murni terdeteksi sekitar 200 nm yang dikenal sebagai wilayah UV dekat yang sesuai dengan energi band gap sekitar 5,85 eV. Dengan pemasukkan Bi tepi penyerapan maksimum bergerak ke panjang gelombang yang lebih tinggi yang menunjukkan redshift dalam spektrum optik yang menyebabkan pengurangan energi band gap. Energi band gap diperkirakan menggunakan persamaan Tauc yang ditunjukkan dalam Eq. 1. Plot Tauc seperti ditampilkan dalam Gambar 3b mewakili energi band gap berkurang hingga 4,65 eV. Selain itu, tidak ada penyerapan tambahan ke tingkat energi yang lebih rendah atau lebih tinggi terdeteksi untuk sampel murni, 2,5, dan 5% dobi Bi, yang menyiratkan keberadaan defek struktural padat. Sedangkan untuk sampel dobi Bi 7,5 dan 10% penyerapan sangat kecil sekitar 330 diamati yang juga diverifikasi dan dijelaskan dalam analisis spektrum penyerapan optik simulasi (lihat Gambar 6) [62, 68, 69]. Menurut literatur, BN massal memiliki energi band gap 5,2–5,4 eV sementara nanosheet bi/multilayer memiliki energi band gap 5,56–5,92 eV [26]. Observasi ini menyiratkan bahwa nanosheet BN yang disiapkan memiliki konfigurasi bi/multilayer. Energi band gap semua sampel ditampilkan dalam Gambar 3b dan diekstimasi melalui persamaan Tauc (1) dinyatakan sebagai berikut:
Dalam persamaan di atas, α menunjukkan koefisien penyerapan yang sama dengan α = log(T/d) di mana T adalah transmisi dan d adalah panjang jalur. Selanjutnya, nilai eksponen (n) terkait dengan sifat elektronik Eg dan sesuai dengan transisi langsung yang diizinkan (1/2), transisi tidak langsung yang diizinkan (2), transisi langsung yang dilarang (3/2) dan transisi tidak langsung yang dilarang (3), masing-masing. Namun, data transisi memungkinkan pas linear terbaik di area tepi band jika n = 1/2. Eg secara karakteristik diukur dengan menilai plot (αhν)^(1/n) vs hν. Tren linear yang diperoleh dari Eq. 1 dimodelkan sebagai tangen plot di dekat titik daerah kemiringan maksimum. Di sini, hν sama dengan energi foton (E), K adalah indeks penyerapan dan Eg adalah energi band gap (eV) [26].
a Spektrum UV–Vis nanosheet BN induk dan dobi Bi; b analisis energi band gap menggunakan plot Tauc
Temuan eksperimental ini didukung oleh perhitungan DFT berdasarkan prinsip pertama. Model BN monolayer undoped dan dobi Bi dibangun menggunakan metode super sel dengan kondisi batas periodik. Super sel 7 × 7 digunakan untuk monolayer BN asli dan dobi Bi untuk memastikan interaksi Bi yang minimal dengan citra tetangganya. Lapisan vakum 15 Å digunakan di sepanjang arah tegak lurus pada permukaan monolayer. Konsentrasi dobi 2,04%, 4,08%, dan 6,1% telah dimodelkan dengan mengganti satu, dua, dan tiga atom Bi dalam super sel monolayer BN pada situs B, seperti ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S6. Untuk menyelidiki stabilitas dobi Bi dengan konsentrasi yang berbeda, kami menghitung energi ikatan menggunakan persamaan berikut [70, 71]:
$$E_{b} = E_{supercell} - E_{V} - E_{TM}$$ (2)
di mana E_supercell, E_V, dan E_TM merujuk pada energi total BN dobi, bahan induk dengan rongga kation, dan atom logam terisolasi. Ditemukan bahwa nilai Eb untuk berbagai konsentrasi dobi berubah secara kuat dari −4,0 hingga −7,71 eV.
Untuk mengeksplorasi dampak dobi Bi pada perubahan struktur elektronik dan perilaku optik, kami menghitung struktur band elektronik dan densitas keadaan (DOS) dengan menyertakan kontribusi SOC dari monolayer BN dobi Bi dengan berbagai konsentrasi serta monolayer BN asli untuk perbandingan, seperti ditunjukkan dalam Gambar 5 dan 6. Dapat dilihat bahwa BN asli memiliki energi band gap langsung sebesar 4,69 eV pada titik K, seperti ditunjukkan dalam Gambar 4a, yang lebih sesuai dengan nilai eksperimental yang diukur (5,85 eV). Selain itu, nilai energi band gap yang dihitung kami dalam perjanjian yang baik dengan pekerjaan teoretis sebelumnya [72, 73]. Nilai energi band gap ini menunjukkan bahwa monolayer BN adalah isolator. Menurut plot DOS dari asli dari Gambar 5a, maksimum band valensi terutama ditandai oleh keadaan N 2p sedangkan minimum band konduksi terutama dikendalikan oleh keadaan B 2p yang tidak terisi. Ketika memperkenalkan dobi Bi dengan tingkat doping 2,04%, dua status gap lokal baru terbentuk di sekitar tingkat Fermi, seperti ditunjukkan dalam Gambar 4b, di mana band bawah terisi sementara band atas tidak terisi. Oleh karena itu, maksimum band valensi telah bergeser ke bawah dalam band valensi mengurangi energi band gap. Selain itu, fitur utama maksimum band valensi dan minimum band konduksi mirip dengan monolayer BN murni. Penampilan band kotoran membagi energi band gap menjadi tiga sub-area energi gap dengan lebar 3,39, 1,83 dan 0,643 eV. Analisis DOS parsial (lihat Gambar 5b) mengungkapkan bahwa status gap yang terisi terutama dibangun dari keadaan Bi 6s yang dicampur dengan keadaan N 2p sedangkan status gap yang tidak terisi terutama disebabkan oleh keadaan Bi 6p dengan kontribusi kecil dari keadaan N 2p. Dalam kasus dua atom Bi doping ke dalam monolayer BN, struktur band menunjukkan geser ke bawah yang relatif lebih besar dari band konduksi. Diperhatikan bahwa jumlah band dobi meningkat yang mengakibatkan pengurangan lebih lanjut energi band gap. Hasilnya adalah monolayer BN dobi Bi menunjukkan karakteristik tipikal semikonduktor tipe n. Dari Gambar 4c, empat status gap telah diperkenalkan di sekitar tingkat Fermi. Dua level dobi terendah terisi dan terletak sekitar 0,57 dan 0,21 eV di bawah tingkat Fermi. Dua status gap lainnya tidak terisi dan terletak pada 0,40 dan 0,80 eV di atas tingkat Fermi. Namun, PDOS dalam Gambar 5c menunjukkan sebagian besar hibridisasi antara keadaan Bi 6s dan N 2p untuk dua puncak kecil dan kontribusi besar dari keadaan Bi 6p dengan kontribusi kecil dari keadaan N 2p untuk dua puncak tinggi. Dengan peningkatan konsentrasi dobi Bi pada 6,1%, diamati bahwa lebih banyak status kotoran telah diperkenalkan di sekitar tingkat Fermi dengan mengurangi bans gap, seperti ditunjukkan dalam Gambar 4d. Band kotoran dengan energi gap status lebih rendah terjadi pada 0,36 eV sementara band kotoran dengan energi gap status lebih tinggi terletak pada 0,61 eV di atas tingkat Fermi. Dari plot DOS parsial (lihat Gambar 5d), dapat dipersepsikan untuk doping Bi dalam BN pada konsentrasi 6,1% bahwa fitur utama band kotoran di bawah dan di atas tingkat Fermi mirip dengan BN dobi Bi dengan x = 4,08% dengan beberapa tumpang tindih antara band kotoran di bawah dan di atas tingkat Fermi.
Struktur band elektronik yang dihitung dari a BN asli dan monolayer dobi Bi dengan konsentrasi b 2,04%, c 4,08%, dan d 6,1%
DOS total dan terproyeksi yang dihitung dari a BN asli dan monolayer BN dobi Bi dengan konsentrasi, b 2,04%, c 4,08%, dan d) 6,1%
Koefisien penyerapan BN asli dan dobi Bi dihitung dan ditampilkan dalam Gambar 6. Dapat diamati redshift tepi penyerapan seiring peningkatan konsentrasi doping Bi. Pada konsentrasi dobi Bi 2,04%, tepi penyerapan menunjukkan redshift sekitar 10 nm dibandingkan monolayer BN asli. Redshift kecil ini mungkin muncul dari pengurangan energi band gap yang sedikit dan dalam perjanjian yang baik dengan pengukuran eksperimental redshift 20 nm untuk doping Bi ke dalam nanosheet BN. Ketika konsentrasi pemasukan Bi naik menjadi 4,08% dan 6,10%, tepi penyerapan utama memiliki redshift yang lebih besar sekitar 22 nm dan 40 nm dibandingkan monolayer BN undoped. Ini juga merupakan hasil dari penyempitan energi band gap, yang menghasilkan reproduksi observasi eksperimental (lihat Gambar 3a). Dapat diamati bahwa puncak penyerapan yang sangat kecil sekitar 330 nm telah muncul seiring meningkatnya konsentrasi pemasukan Bi. Ini lebih meredshift tepi penyerapan monolayer BN dobi Bi ke nilai panjang gelombang 345 nm (atau energi 3,60 eV), yang menyiratkan peningkatan kemampuan katalitik.
Spektrum penyerapan optik yang disimulasikan dari BN murni dan dobi Bi
Aktivitas Katalitik
Hasil eksperimen untuk mengevaluasi performa aktivitas katalitik bahan yang disintesis direpresentasikan dengan menggunakan spektrum UV–Vis yang bergantung pada waktu. Ditemukan bahwa pemasukkan redukan ke dalam larutan air warna tidak dapat menguraikannya karena hanya sekitar 7% reduksi warna yang dicapai. Penambahan BN dobi Bi ke nanosheet BN (nanokatalis), persentase degradasi secara efektif ditingkatkan. Nanosheet BN murni menampilkan 45% reduksi warna dalam 35 menit sementara BN dobi Bi dengan berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5, dan 10 wt%) menunjukkan reduksi warna yang ditingkatkan dengan kemajuan cepat.
Secara umum, katalis menurunkan energi aktivasi reaksi yang pada gilirannya menyebabkan mempercepat stabilitas dan laju reaksi. MB terutama adalah warna sintetis yang dimasukkan ke dalam air selama berbagai proses industri. MB dapat direduksi dalam kehadiran redukan namun proses reduksi relatif lambat dalam kehadiran hanya NaBH4. Nanosheet BN induk memiliki luas permukaan spesifik yang besar yang menyebabkan peningkatan laju adsorpsi. Selain itu, lapisan redukan yang terdistribusi di atas nanokatalis juga dapat mempercepat adsorpsi karena reaksi redox antara katalis dan MB. Reaksi reduksi oleh katalis terjadi dengan mentransfer elektron dari spesies donatur BH4− (dari NaBH4) ke spesies penerima MB yang difasilitasi oleh nanosheet BN murni dan dobi Bi. Ini mengakibatkan penurunan energi aktivasi yang berfungsi untuk menstabilkan dan mempercepat laju reaksi [26, 74]. Mekanisme aktivitas katalitik telah direpresentasikan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S7b. Degradasi warna dari berbagai konsentrasi dobi (2,5, 5, 7,5 dan 10 wt%) adalah 61, 67, 85 dan 94% dalam 24, 17, 11 dan 7 menit, masing-masing seperti diilustrasikan dalam Gambar 7. Perbandingan eksperimen saat ini dengan literatur ditampilkan dalam Tabel 1.
a Plot Ct/Co versus waktu untuk semua katalis; b perbandingan persentase degradasi atas berbagai konsentrasi, c perbandingan stabilitas untuk 7,5 dan 10 wt% katalis dobi Bi; d plot Ct/Co versus waktu untuk penggunaan kembali katalis BN dobi Bi 10 wt%
Peningkatan efisiensi aktivitas katalitik disebabkan oleh peningkatan konsentrasi Bi. Karena persentase degradasi secara langsung sesuai dengan transfer elektron dari agen reduksi menuju MB yang difasilitasi oleh nanokatalis. Nanosheet BN dobi Bi menyebabkan peningkatan laju reaksi dengan menurunkan energi aktivasinya yang pada gilirannya menyebabkan transfer elektron yang lebih cepat menuju MB. Plot Ct/Co sebagai fungsi waktu mewakili reduksi warna semua sampel seperti diilustrasikan dalam Gambar 7a di mana Ct mewakili konsentrasi MB pada waktu yang diberikan sementara Co sesuai dengan konsentrasi awal. Gambar 9b menunjukkan persentase degradasi katalis yang diekstimasi melalui Eq. 3.
Berbagai faktor yang mempengaruhi aktivitas katalitik dan mempengaruhi performa katalis dibahas di bawah ini.
Nilai pH
Dalam katalisis (aktivitas katalitik), laju reaksi memiliki korelasi yang kuat dengan nilai pH. Secara umum, nilai pH yang sangat rendah atau tinggi tidak dapat berkontribusi pada degradasi warna. Studi literatur aktivitas katalitik menggunakan agen reduksi menunjukkan bahwa laju reaksi pada kondisi basa paling menguntungkan untuk degradasi maksimum. Dalam studi saat ini, nilai pH di mana degradasi maksimum dicapai adalah 8,4, yang menguntungkan berkorelasi dengan literatur yang dikutip. Selanjutnya, bahan seperti nanosheet BN mengontrol muatan permukaan dan mendominasi interaksi elektrostatis yang mungkin antara polutan dan bahan. Oleh karena itu, nilai pH larutan memiliki hubungan langsung dengan proses eliminasi polutan dengan cara mengontrol interaksi elektrostatis yang mungkin antara polutan dan adsorban [74, 75].
Stabilitas
Stabilitas katalis diinisialkan dalam studi saat ini dengan membiarkan eksperimen yang dilakukan tinggal setidaknya selama tiga hari untuk memeriksa apakah reduksi warna yang dilakukan dalam kehadiran nanokatalis stabil atau tidak. Dalam hal ini, warna yang diuraikan disimpan dalam kegelapan dan setelah setiap 24 jam, degradasi diperiksa dengan bantuan spektrum penyerapan yang diperoleh dengan spektrofotometer UV–Vis, seperti diilustrasikan dalam Gambar 7c. Hasil yang diperoleh mengindikasikan tidak ada kehilangan degradasi dalam kondisi tinggal selama 72 jam. Degradasi diamati dalam bentuk aslinya yang cukup yang mengonfirmasi stabilitas katalis.
Penggunaan Kembali
Penggunaan kembali katalis merujuk pada kemampuan daur ulang katalis yang memungkinkan penggunaannya lebih dari sekali. Biasanya, katalis dengan jumlah siklus penggunaan kembali terbanyak dianggap katalis paling efisien. Dalam eksperimen saat ini, penggunaan kembali diselidiki dengan mendaur ulang katalis 10 wt% hingga tiga siklus. Hasil yang diperoleh ditampilkan dalam Gambar 7d, yang mengindikasikan katalis BN dobi Bi dapat digunakan sebagai katalis kembali yang efektif.
Pemuatan Katalis
Terakhir, pemuatan katalis sebelum eksperimen dan setelah tiga kali daur ulang ditemukan. Pemuatan katalis sebelum melakukan aktivitas adalah 4 mg, setelah tiga kali daur ulang diukur sebagai 3,7 mg, dengan mempertimbangkan deviasi sensing/mendeteksi 5%. Hasil menunjukkan bahwa BN dobi Bi bertindak sebagai katalis paling stabil, dapat digunakan kembali, dan paling efisien untuk degradasi warna. Selain itu, pemuatan katalis setelah uji stabilitas tiga hari juga dilakukan yang menunjukkan hasil yang hampir sama (3,6 mg) seperti yang dilakukan setelah proses daur ulang.
Aktivitas Bakterisida
Aktivitas bakterisida in vitro BN, Bi2O3, dan nanosheet BN dobi Bi untuk bakteri Gram + ve dan Gram –ve ditampilkan dengan presentasi grafis dalam Gambar 8 dan 9 (a–n). Temuan menunjukkan aktivitas bakterisida unggul dengan sinergi nanosheet BN dobi Bi terhadap E. coli dibandingkan dengan S. aureus seperti ditunjukkan dalam Gambar 8 dan 9 (a–j). BN dan Bi2O3 pada konsentrasi rendah menunjukkan efisiensi nol terhadap bakteri G + ve dan –ve. Pada konsentrasi tinggi, BN menggambarkan (0,35 mm) dan (0,45 mm) inhibisi dan sama, Bi2O3 menunjukkan (0,55 mm) dan (0,75 mm) zona inhibisi terhadap bakteri G + ve dan –ve masing-masing Gambar 8 dan 9 (a, b, h–i). Zona inhibisi yang signifikan (P < 0,05) dirinci sebagai (0–2,45 mm) dan (3,15–4,35 mm) untuk S. aureus dan (0–1,65 mm) dan (2,15–3,65 mm) untuk E. coli pada dosis rendah dan tinggi, masing-masing Gambar 8 dan 9 (c–f, j–m). Persentase efisiensi (% age) meningkat dari (0–33,8%) dan (43,4–60%) terhadap S. aureus dan (0–38,8%) dan (50,5–85,8%) terhadap E. coli, masing-masing. Ciprofloxacin digunakan sebagai kontrol positif mengurangi (7,25 mm) dan (4,25 mm) pertumbuhan G+ve dan –ve masing-masing dibandingkan dengan DIW (0 mm). Secara umum, nanosheet BN dobi 2,5 wt% menunjukkan nol efisiensi terhadap bakteri Gram + ve dan –ve pada dosis rendah sementara, nanosheet dobi lainnya depicted aktivitas antibakteri yang signifikan (P < 0,05) terhadap bakteri Gram –ve dibandingkan Gram +ve seperti ditunjukkan dalam Gambar 8 dan 9 (c–f, j–m).
a–g Efisiensi antimikroba in vitro BN (a) Bi2O3 (b) nanosheet BN dobi dengan berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5 dan 10 wt%) Bi terhadap S. aureus (c–f) presentasi grafis (g)
h–n Efisiensi antimikroba in vitro BN (h) Bi2O3 (i) nanosheet BN dobi dengan berbagai konsentrasi (2,5, 5, 7,5 dan 10 wt%) Bi terhadap E. coli (j–m) demonstrasi grafis (n)
Stres oksidatif yang diciptakan oleh nanosheet bergantung pada ukuran, bentuk, dan konsentrasinya. Aktivitas antibakteri dengan zona inhibisi (mm) meningkat dengan doping Bi yang lebih wt% pada BN karena ketersediaan kation yang lebih besar. Aktivitas antibakteri tergantung pada ukuran dan konsentrasi menunjukkan hubungan terbalik dengan ukuran NS dobi [2, 22, 80]. Generasi ROS dianggap sebagai faktor berbahaya utama untuk destruksi mikropatogen [81]. NS ukuran kecil menghasilkan spesies reaktif oksigen (ROS) yang lebih nyata di dalam membran bakteri dalam implan yang mengakibatkan ekstrusi konten sitoplasma dan merusak DNA, protein, dan enzim bakteri sehingga membunuh bakteri seperti diilustrasikan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S7 (a) [80, 82]. Setelah iradiasi, NP mengaktifkan transfer e⁻ dari valensi ke band konduksi untuk reaksi reduksi dengan menghasilkan lubang (h⁺) yang pada akhirnya transfer ke band valensi untuk oksidasi [83, 84]. Proses reduksi menghasilkan O2⁻. melalui reaksi e⁻ dengan O2 [85]. Lubang (h⁺) melalui proses oksidasi menghasilkan OH melalui reaksi dengan e⁻ dari air (H2O) atau ion hidroksil (OH⁻) [86]. Spesies radikal oksigen reaktif yang kuat OH dengan cepat bereaksi dengan biomolekul mikropatogen yaitu protein, karbohidrat, DNA, lipid, dan asam amino seperti ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S7 (a) [87]. Komposit bismuth terkenal karena tindakan antibakteri yang sangat efektif dikaitkan dengan toksisitas lingkungan rendah [88]. Kedua, antarmuka kationik yang kuat Bi+3 dengan bagian membran sel bakteri yang bermuatan negatif meningkatkan tindakan antibakteri pada konsentrasi tinggi yang mendorong runtuhnya bakteri [2].
Enzim yang mengkatalisis langkah kunci dari berbagai reaksi biokimia yang diperlukan untuk kelangsungan bakteri mewakili target yang menarik untuk penemuan antibiotik. Studi penyusunan molekular untuk memprediksi kecenderungan inhibisi nanopartikel terhadap target enzim yang dipilih adalah sangat penting untuk penemuan antibiotik baru. Mekanisme inhibisi enzim digambarkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S7 (c) yang menunjukkan pemblokiran situs aktif enzim yang menghalangi akses substrat dan mengganggu aktivitas katalitik target enzim yang diberikan yang menyebabkan kematian bakteri.
Meskipun banyak literatur yang dilaporkan tentang potensi biologis nanomaterial khususnya aktivitas bakterisida, mekanisme tindakan yang jelas masih tidak diketahui. Nanomaterial menunjukkan aktivitas antibakteri mereka baik melalui pecahan dinding sel atau mungkin menargetkan enzim kunci dari berbagai jalur yang penting untuk kelangsungan bakteri (lihat Berkas Tambahan 1: Gambar S7) [80, 89]. Mengidentifikasi target mereka adalah sangat penting dan dapat berkontribusi pada penemuan antibiotik baru dengan mode tindakan yang baru [90]. Di sini, target enzim dari dua antibiotik yang dikenal yaitu Rifampisin (sintesis asam nukleat) dan Trimetoprim (jalur biosintesis folat) [91] telah dipilih untuk mengevaluasi kecenderungan ikatan, pola interaksi ikatan, dan mekanisme inhibisi nanosheet BN dobi Bi di balik aktivitas antibakteri mereka.
Dalam kasus DHFR dari E.coli, konformasi terbaik yang di-dok menunjukkan interaksi ikatan hidrogen dengan Ile14 (2,68 Å) dan Ile94 (2,27 Å) bersama interaksi kontak logam dengan Tyr100 dengan nilai ikatan − 11,971 kcal/mol (Gambar 10a). Sama halnya, interaksi ikatan hidrogen dengan Thr46 (2,19 Å) dan kontak logam dengan Leu20 diamati dalam kasus DHFR dari S. aureus dengan nilai ikatan − 8,526 kcal/mol seperti ditunjukkan dalam Gambar 10b.
Pola interaksi ikatan nanosheet BN dobi Bi dengan situs aktif residu enzim dihydrofolat reduktase dari a E. coli dan b S. aureus
Untuk DNA gyrase dari E.coli, nilai ikatan terbaik yang diamati adalah − 6,782 kcal/mol dengan interaksi ikatan hidrogen dengan Asp73 (2,22 Å) seperti ditunjukkan dalam Gambar 11a sementara dalam kasus DNA gyrase dari S. aureus interaksi ikatan hidrogen diamati dengan Asp81 (2,12 Å dan 2,68 Å) bersama interaksi kontak logam dengan Ile175 dengan nilai ikatan − 7,819 kcal/mol (Gambar 11b).
Pola interaksi ikatan nanosheet BN dobi Bi dengan situs aktif residu enzim DNA gyrase dari (a) E. coli dan (b) S. aureus
Kesimpulan
Nanosheet BN berhasil disiapkan melalui eksfoliasi fasa cair BN massal sementara Bi disatukan sebagai dobi melalui pendekatan hidrotermal. Berbagai properti bahan yang disintesis dikaji menggunakan sejumlah pendekatan karakterisasi yang sangat harmoni dengan literatur. Pola XRD menunjukkan keberadaan fase heksagonal BN dengan pergeseran puncak ke sudut difraksi yang lebih tinggi, yang mengautentikasi pemasukkan dobi yang berhasil. Spektrum FTIR mengonfirmasi keberadaan getaran bending B–N di dalam bidang dan getaran stretching B–N–B keluar dari bidang, yang sesuai dengan keberadaan mode BN E1u dan A2u yang aktif inframerah. Keberadaan band luminesensi dikonfirmasi melalui analisis PL sedangkan spektroskopi UV–Vis menunjukkan kehadiran penyerapan di dekat wilayah UV. Pemeriksaan morfologi dilakukan melalui mikroskraf FESEM dan HR-TEM menunjukkan morfologi lembar dengan dekorasi Bi di atas nanosheet, yang menyiratkan prosedur doping yang efektif. Jarak antar lapisan dievaluasi melalui citra HR-TEM dengan bantuan perangkat lunak Gatan digital micrograph yang sepadan dengan XRD; sementara spektrum EDS menunjukkan sinyal kuat yang berasal dari bahan murni serta dobi. Hasil optimisasi dari perhitungan primerungkap mengungkapkan bahwa Bi dapat digantikan dan stabil ke dalam nanosheet BN dengan konsentrasi yang berbeda. Band kotoran karena atom Bi memperkenalkan penyerapan energi sub-bandgap dalam daerah energi band gap elektronik yang mungkin meningkatkan aktivitas katalitik. Penyelidikan degradasi warna melalui eksperimen CA menghasilkan proses yang efisien dan cepat. Selain itu, nanosheet BN murni dan dobi berfungsi sebagai nanokatalis yang stabil, dapat digunakan kembali, dan luar biasa untuk pengolahan air limbah. Selain itu, efisiensi antimikroba nanosheet BN dobi terhadap S. aureus dan E. coli yang diisolasi secara langsung dari susu mastitis kambing menghasilkan nilai kuantitatif yang signifikan. Prediksi in silico terhadap target enzim yang dipilih yaitu DHFR dan DNA gyrase dari E. coli dan S. aureus dalam sejalan dengan aktivitas bakterisida in vitro sehingga membuka horizon baru untuk penggunaan nanomaterial dobi sebagai agen potensial untuk prosedur antimikroba dan CA. Perhitungan teoretis dalam sejalan dengan nilai eksperimental. Studi teoretis menunjukkan bahwa doping substitusional Bi dengan konsentrasi yang berbeda stabil. Selain itu, doping Bi menyebabkan berbagai modifikasi dalam struktur elektronik nanosheet BN dengan menginduksi status gap lokal baru di sekitar tingkat Fermi. Akhirnya, berdasarkan hasil ini, dapat disimpulkan bahwa nanosheet BN dobi Bi adalah bahan yang cocok untuk digunakan dalam aplikasi air limbah industri, dan pengobatan antimikroba.
