Impact van bi-doping in boornitride-nanobladen op elektronische en optische eigenschappen met behulp van theoretische berekeningen en experimenten

Resultaten en discussie

Structuur en elektronische eigenschappen

XRD werd gebruikt om fase-identificatie, kristalliniteit en kristallografische controlevlakken en Bi-gedoteerde BN-nanobladen te onderzoeken, zoals geïllustreerd in Fig. 2a. De XRD-reflecties geïdentificeerd bij 2'-waarden van a~-26,9 °, 41,3 °, 43,46 ° en 50,2 ° werden respectievelijk geïndexeerd als (002), (100), (101) en (102) kristallografische vlakken. Gedetecteerde kristallografische vlakken kwamen goed overeen met het standaardspectrum (JCPDS-referentie #00-034-0421) [54, 55]. Scherpte en piekintensiteit suggereren vorming van dunne BN-lagen en zwakke stapeling van NS in de voorkeurs-c-richting [46]. Piekverschuiving met betrekking tot de diffractiehoek werd gedetecteerd in XRD-reflecties, wat suggereert dat er doteerstof is opgenomen. Tussenlaagafstand (d -waarde) van kenmerk (d ₀₀₂ ) reflectie werd gevonden ~ 0.34 nm zoals geëvalueerd door de wet van Bragg \((n\lambda =2d\mathrm{sin}\theta )\) en correleert goed met HR-TEM-resultaten (zie aanvullend bestand 1:Fig. S4). Deze d-waarde van het overeenkomstige vlak wordt gekenmerkt door significante kenmerken met betrekking tot adsorptie-eigenschappen en moleculair transport van BN dat dient om de katalytische prestaties ervan te verbeteren [56]. Overeenkomstige SAED-profielen van kale BN weergegeven in figuur 2b bestaan ​​uit heldere cirkelvormige ringen die wijzen op een hoge kristalliniteit van het monster. Deze gedetecteerde ringen komen goed overeen met XRD-patronen en standaardgegevens [26, 57, 58]. De oppervlaktemorfologie van het gesynthetiseerde materiaal werd onderzocht met behulp van FESEM en verder bevestigd door HR-TEM-analyse. Tussenlaagafstand werd geëvalueerd met Gatan digitale micrograafsoftware met behulp van HR-TEM-afbeeldingen, die consistent bleek te zijn met XRD-resultaten. De zuiverheid van het bereide product werd vastgesteld door de elementaire samenstelling te analyseren door middel van EDS-spectroscopie zoals geïllustreerd in aanvullend bestand 1:Fig. S5 en S6.

een XRD-patronen van gastheer- en Bi-gedoteerde BN-nanobladen met verschillende concentraties (2,5, 5, 7,5 en 10 gew.%); b SAED-patroon verkregen uit BN nanosheets; c FTIR-spectra; d PL-spectra

FTIR werd gebruikt om IR-vingerafdrukken van gastheer- en Bi-gedoteerde BN-nanobladen te onderzoeken, zoals weergegeven in figuur 2c. Verkregen spectra vertonen twee karakteristieke pieken afkomstig van BN op 750 en 1365 cm ⁻¹ kan zowel worden toegeschreven aan B–N–B (buigtrillingen) als aan B–N (rektrilling). Deze kernpieken zijn gerelateerd aan A_2u modus (out-of-plan) en E_1u modus (in het vlak) [56, 59]. Zoals vermeld A_2u modus is een modus buiten het vlak die overeenkomt met de energie van 96,4 meV, terwijl de E_1u komt overeen met in-plane modi die verder in twee modi worden gesplitst, de eerste is de longitudinale optische modus van E_1u ^NAAR en ten tweede transversale optische E_1u ^LO met energieën van respectievelijk 169,4 en 199,6 meV, vanwege de Coulomb-interacties op lange afstand zoals aangegeven door Michel en Verberck [60]. In hun werk vergeleken ze twee fonon-dispersierelaties die respectievelijk waren berekend zonder en met de Coulomb-kracht op lange afstand. De verandering tussen de twee berekeningen komt overeen met LO-TO-splitsing. Vanwege Coulomb-interactie die het symmetrieveld in BN verbreekt, wat leidt tot de verdeling van de longitudinale en transversale optische fononen [61]. Een schematische illustratie van deze modi wordt getoond in Fig. 2c. Er is een extra piek gedetecteerd op 1170 cm ⁻¹ wordt geassocieerd met de rektrilling van booroxynitride (N-B-O). Breedband op 3433 cm ⁻¹ komt overeen met O–H strektrilling [62].

PL-spectroscopie werd gebruikt om de migratie, overdracht en recombinatie van excitonen in monsters te bevestigen, zoals weergegeven in figuur 2d. Geëxtraheerde spectra werden gemarkeerd met excitatiegolflengte, d.w.z. λ _ex = 390 nm en bijbehorende emissiegolflengte λ _em = 420 nm. Aangezien materialen op nanoschaal relatief gevoelig zijn voor de excitatiegolflengte, zijn emissiespectra gebaseerd op de waarde van λ _ex [59]. PL-spectra van niet-gedoteerde en Bi-gedoteerde BN-nanobladen vertoonden asymmetrische pieken die zich op ~ 420 nm en later bevonden. Deze gedetecteerde asymmetrische pieken in PL-spectra suggereren het bestaan ​​van luminescente soorten en/of multi-fluoroforen. Literatuurstudies suggereren dat de aanwezigheid van soorten zoals boor-zuurstof wordt beschouwd als nieuwe luminescentiecentra in het BN-systeem [63]. Luminescentie-vondsten rond 460 nm vertegenwoordigen het begin van de elektronische overgang. Deze elektronische overgang omvat individuele / wederzijdse overgangsliggingen tussen 2p-toestanden van BN-banden [64]. Excitatie van een elektron (e ⁻ ) van volant naar geleidingsband dient om de intensiteit van luminescentie en energie van excitatielicht te verbeteren. Deze overgang bij 460 nm komt overeen met een energiepiek bij  ~ 2.7 eV [65]. Het is vermeldenswaard dat monsters werden bereid met dezelfde hoeveelheid, groeisnelheden, evenals duur enz., maar het enigszins verschil in intensiteit van alle monsters voor PL-spectra kan worden toegeschreven aan minder h-BN-domeinen per oppervlakte-eenheid die worden genomen deel aan luminescentie [66]. Maximale recombinatie en scheidingen van excitonen komen overeen met respectievelijk de hoogste en laagste intense pieken in PL-spectra [67].

Optische eigenschappen van gastheer BN en Bi-gedoteerde BN nanosheets werden vastgesteld door middel van absorptiespectra verkregen met behulp van UV-Vis-spectroscopie. Uiterlijk van absorptie in het nabije UV-gebied werd waargenomen zoals geïllustreerd in figuur 3a. De maximale absorptie voor pure BN-nanosheets werd gedetecteerd rond 200 nm, wat bekend staat als het nabije UV-gebied dat overeenkomt met de bandgap-energie van   ~  5.85 eV. Met de opname van Bi wordt de maximale absorptierand verplaatst naar een hogere golflengte die de roodverschuiving in optische spectra aangeeft die ervoor zorgt dat de bandgap-energie wordt verminderd. Bandgap-energie werd geschat met behulp van de Tauc-vergelijking die wordt weergegeven in Vgl. 1. Tauc-plot zoals weergegeven in Fig. 3b geeft aan dat de bandgap-energie is verminderd tot 4,65 eV. Daarnaast werd geen extra absorptie naar een lager of hoger energieniveau gedetecteerd voor zuivere, 2,5 en 5% Bi-gedoteerde monsters, wat het bestaan ​​van dichte structurele defecten suggereert. Terwijl voor 7,5 en 10% Bi-gedoteerde monsters een zeer geringe absorptie rond 330 wordt waargenomen, wordt dit ook geverifieerd en verklaard in de gesimuleerde optische absorptiespectra-analyse (zie Fig. 6) [62, 68, 69]. Volgens de literatuur vertoont bulk BN een bandgap-energie van 5,2-5,4 eV, terwijl bi/meerlaagse nanosheets een bandgap-energie van 5,56-5,92 eV hebben [26]. Deze waarnemingen suggereren dat zoals voorbereide BN-nanobladen een bi / meerlaagse configuratie hebben. Bandgap-energie van alle monsters weergegeven in Fig. 3b en geschat via Tauc Eq. (1) wordt als volgt uitgedrukt:

In de bovenstaande vergelijking, α geeft de absorptiecoëfficiënt aan die gelijk is aan \(\alpha =\mathrm{log}(T/d)\) waarbij T is transmissie en d padlengte is. Verder, waarde van exponent (n ) wordt geassocieerd met het elektronische karakter van E _g en komt overeen met respectievelijk direct toegestane overgangen (1/2), indirecte toegestane overgangen (2), directe verboden overgangen (3/2) en indirecte verboden overgangen (3). Overgangsgegevens maken het echter mogelijk om het beste lineair in het bandrandgebied te passen als n = 1/2. E _g wordt typisch gemeten door het beoordelen van (αhν ) ^1/n vs hν percelen. Lineaire trend verkregen van Eq. 1 wordt gemodelleerd als de raaklijn van het perceel nabij het punt van het maximale hellingsgebied. Hier is hν gelijk aan fotonenergie (E ), K is absorptie-index en E _g is band gap-energie (eV) [26].

een UV-Vis-spectra van gastheer- en Bi-gedoteerde BN-nanobladen; b bandgap-energieanalyse met Tauc-plot

Deze experimentele bevindingen worden ondersteund door eerste op principes gebaseerde DFT-berekeningen. Het model van ongedoteerde en Bi-gedoteerde BN-monolagen is gebouwd met behulp van de supercelmethode met periodieke randvoorwaarden. Een 7 × 7 supercel werd gebruikt voor ongerepte en Bi-gedoteerde BN-monolaag om minimale interactie van Bi met zijn naburige afbeeldingen te verzekeren. Een vacuümlaag van 15 werd gebruikt in de richting loodrecht op het vlak van de monolaag. De doteringsconcentraties van 2,04%, 4,08% en 6,1% zijn gemodelleerd door vervanging van één, twee en drie Bi-atomen in de BN-monolaag-supercel op B-plaatsen, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:Fig. S6. Om de stabiliteit van Bi-doteringsstof met verschillende concentraties te onderzoeken, hebben we de bindingsenergieën geschat met behulp van de volgende vergelijkingen [70, 71]:

waarbij, E _supercel , E _V, en E _TM verwijzen naar de totale energie van het gedoteerde BN, gastheermateriaal met kationvacature en het geïsoleerde metaalatoom. Het blijkt dat de waarde van E _b voor verschillende doteerstofconcentraties verandert sterk van −4,0 tot − 7,71 eV.

Om de impact van Bi-dopanten op de verandering van de elektronische structuren en het optische gedrag te onderzoeken, hebben we de elektronische bandstructuren en de dichtheid van toestanden (DOS) berekend door de SOC-bijdrage van Bi-gedoteerde BN-monolaag met verschillende concentraties en ongerepte BN op te nemen. monolaag ter vergelijking, zoals getoond in Fig. 5 en 6. Het is te zien dat ongerepte BN een directe bandgap-energie heeft van magnitude 4,69 eV op K-punt, zoals weergegeven in figuur 4a, wat meer consistent is met de gemeten experimentele waarde (5,85 eV). Bovendien komt onze berekende bandgap-energiewaarde uitstekend overeen met eerdere theoretische werken [72, 73]. Deze bandgap-energiewaarde geeft aan dat BN-monolaag een isolator is. Volgens de grafieken van de DOS's van het ongerepte uit Fig. 5a, wordt de valentiebandmaxima voornamelijk gekenmerkt door de N 2p staten terwijl het minimum van de geleidingsband grotendeels wordt gecontroleerd door onbezette B 2p staten. Bij het introduceren van een Bi-doteringsmiddel met een doteringsniveau van 2,04%, worden twee nieuwe gelokaliseerde spleettoestanden gevormd rond het Fermi-niveau, zoals weergegeven in figuur 4b, waarbij de onderste band bezet is terwijl de bovenste band niet bezet is. Daarom is het maximum van de valentieband verschoven naar lager in de valentieband, waardoor de bandgap-energie wordt verminderd. Bovendien is het belangrijkste kenmerk van het maximum van de valentieband en het minimum van de geleidingsband vergelijkbaar met dat van de zuivere BN-monolaag. Het verschijnen van onzuiverheidsbanden verdeelt de bandgap-energie in drie sub-gap-gebieden met een breedte van 3,39, 1,83 en 0,643 eV. De gedeeltelijke DOS-analyse (zie figuur 5b) laat zien dat de bezette gap-toestanden voornamelijk zijn opgebouwd uit Bi 6s staten gemengd met N 2p toestanden, terwijl de onbezette toestanden voornamelijk te wijten zijn aan Bi 6p staten met een kleine bijdrage van N 2p staten. In het geval van twee Bi-atomen die in de BN-monolaag doteren, vertoont de bandstructuur een relatief grotere verschuiving naar beneden van de geleidingsband. Opgemerkt wordt dat het aantal doteringsbanden wordt verhoogd, wat een verdere vermindering van de bandgap-energie veroorzaakt. Het resultaat is dat Bi-gedoteerde BN-monolaag typische karakters van n-type halfgeleider vertoont. Uit figuur 4c volgt dat er vier gap-toestanden zijn geïntroduceerd rond het Fermi-niveau. De laagste twee doteringsniveaus zijn bezet en bevinden zich ongeveer 0,57 en 0,21 eV onder het Fermi-niveau. De andere staten met twee openingen zijn onbezet en bevinden zich op 0,40 en 0,80 eV boven het Fermi-niveau. De PDOS in Fig. 5c toont echter een groot deel van de hybridisatie tussen Bi 6s en N 2p staat voor twee kleine pieken en een grote bijdrage van Bi 6p staten met een kleine bijdrage van N 2p staat voor twee hoge toppen. Met toenemende dopingconcentratie van Bi bij 6,1%, wordt waargenomen dat er meer onzuiverheidstoestanden zijn geïntroduceerd rond het Fermi-niveau met vermindering van de verbodsafstand, zoals weergegeven in figuur 4d. De onzuiverheidsbanden met lagere energieklooftoestanden treden op bij 0,36 eV, terwijl de onzuiverheidsbanden met hogere energieklooftoestanden zich op 0,61 eV boven het Fermi-niveau bevinden. Uit de grafiek van gedeeltelijke DOS (zie figuur 5d), kan worden waargenomen voor Bi-doping in BN bij een concentratie van 6,1% dat het belangrijkste kenmerk van onzuiverheidsbanden onder en boven het Fermi-niveau vergelijkbaar is met dat van de Bi-gedoteerde BN met x = 4,08% met enige overlap tussen onzuiverheidsbanden onder en boven het Fermi-niveau.

De berekende elektronische bandstructuur van a ongerepte BN en Bi-gedoteerde monolagen met concentraties b 2,04%, c 4,08%, en d 6,1%

Berekende totale en verwachte DOS van a ongerepte BN en Bi-gedoteerde BN monolagen met concentraties, b 2,04%, c 4,08%, en d) 6,1%

De absorptiecoëfficiënten van ongerepte en Bi-gedoteerde BN-monolagen worden berekend en uitgezet in Fig. 6. Er kan een roodverschuiving van de absorptierand worden waargenomen met de toename van de Bi-dopingconcentratie. In de Bi-doteringsstofconcentratie van 2,04% vertoont de absorptierand een roodverschuiving van ongeveer 10 nm vergeleken met die van de ongerepte BN-monolaag. Deze kleine roodverschuiving kan blijken uit de geringe bandgap-energie die afneemt en komt redelijk overeen met de experimentele roodverschuiving van 20 nm voor Bi-doping in BN-nanosheet. Wanneer de Bi-opnameconcentratie stijgt tot 4,08% en 6,10%, heeft de belangrijkste absorptierand een meer roodverschuiving van ongeveer 22 nm en 40 nm vergeleken met die van niet-gedoteerde BN-monolaag. Dit is ook het gevolg van de vernauwing van de bandgap-energie, wat leidt tot het reproduceren van de experimentele waarneming (zie figuur 3a). Er kan worden waargenomen dat een andere zeer kleine absorptiepiek rond 330 nm is verschenen met de stijging van de Bi-opnameconcentratie. Het verschuift verder de absorptierand van de Bi-gedoteerde BN-monolaag naar een golflengtewaarde van 345 nm (of energie van 3,60 eV), wat de verbetering van het katalytische vermogen betekent.

De gesimuleerde optische absorptiespectra van zuivere en Bi-gedoteerde BN-monolagen

Katalytische activiteit

Resultaten van experimenten om de prestaties van de katalytische activiteit van het gesynthetiseerde materiaal te evalueren, worden weergegeven door gebruik te maken van tijdsafhankelijke UV-Vis-spectra. It was observed that incorporation of reductant into an aqueous solution of dye was unable to degrade it as only ~ 7% of dye reduction was achieved. Addition of Bi-doped into BN nanosheets (nanocatalyst), percentage degradation is effectively enhanced. Pure BN nanosheets display 45% dye reduction in 35 min while BN doped with various concentrations (2.5, 5, 7.5, and 10 wt%) of Bi exhibit enhanced dye reduction with rapid progress.

In general, catalyst lowers the activation energy of a reaction which in turn causes to accelerate its stability and rate of reaction. MB is primarily a synthetic dye that is exploited into water during various industrial processes. MB can be reduced in the presence of reductant however the reduction process is relatively slow in the presence of only NaBH₄ . Host BN nanosheets exhibit large specific surface area causes to increase adsorption rate. Furthermore, a layer of reductant dispersed over nanocatalysts may also accelerate adsorption due to the redox reaction between catalyst and MB. Reduction reaction by a catalyst occurs by transferring an electron from donor species BH₄₋ (from NaBH₄ ) to acceptor species MB facilitated by pure and Bi-doped BN nanosheets. This resulted to reduce activation energy which serves to stabilize and accelerate rate of the reaction [26, 74]. The mechanism of catalytic activity has been represented in Additional file 1:Fig. S7b. Dye degradation of various doped concentrations (2.5, 5, 7.5 and 10 wt%) was 61, 67, 85 and 94% in 24, 17, 11 and 7 min, respectively as illustrated in Fig. 7. The comparison of present experiment with literature is represented in Table 1.

een Plots of C _t /C _o versus time for all catalysts; b comparison of degradation percentage over various concentrations, c comparison of stability for 7.5 and 10 wt% Bi-doped catalyst; d plot of C _t /C _o versus time for reusability of 10 wt% Bi-doped BN catalyst

Increase in the efficiency of catalytic activity is due to an increase in Bi concentration. As degradation percentage directly corresponds to the transfer of electrons from reducing agent towards MB which is facilitated by nanocatalyst. Bi-doped BN nanosheets cause to boost up the reaction rate by lowering its activation energy that in turn causes to facilitate transfer of electron more rapidly towards MB. Plot of C _t /C _o as a function of time represents dye reduction of all samples as illustrated in Fig. 7a where C _t represents concentration of MB at any given time while C _o corresponds to initial concentration. Figure 9b exhibits degradation percentage of catalysts which was estimated through Eq. 3.

Various factors that influence catalytic activity and affect the performance of catalysts are discussed below.

pH Value

In catalysis (catalytic activity), rate of reaction has a strong correlation with pH value. In general, an extremely low or high value of pH cannot contribute to dye degradation. Literature studies of catalytic activity using reducing agents demonstrate that rate of reaction at basic conditions is most favorable for maximum degradation. In the present study, the pH value at which the maximum degradation was attained was 8.4, which favorably correlates with literature cited. Further, materials such as BN nanosheets controls surface charge and dominate the possible electrostatic interaction between pollutant and material. Therefore, pH value of solution has direct linkage with removal process of pollutants by means of controlling the possible electrostatic interaction between the pollutant and adsorbent [74, 75].

Stability

The stability of catalyst was investigated in the present study by allowing performed experiment to stay for at least three days in order to examine whether the reduction of dye as performed in the presence of nanocatalyst is stable or not. In this regard degraded dye was kept in dark and after every 24 h, degradation was inspected with the help of absorption spectra acquired through UV–Vis spectrophotometer, as illustrated in Fig. 7c. Obtained results indicate that no loss of degradation occurred in stay condition for 72 h. Degradation was observed to be in its fairly original form which affirms the stability of catalyst.

Reusability

Reusability of catalyst refers to recycling ability of catalyst that permits its use more than once. Typically, catalysts with the most number of reusable cycles are considered the most efficient catalyst. In the current experiment, reusability was probed by recycling 10 wt% catalyst up to three cycles. The obtained results are presented in Fig. 7d, which indicates Bi-doped BN catalyst can be utilized as an effective reusable catalyst.

Load of Catalyst

Lastly, load of catalyst before the experiment and after three times of recycling was found. Load of catalyst before performing activity was 4 mg, after three times recycling it was measured as 3.7 mg, considering 5% sensing/detecting deviation. The results indicated that Bi-doped BN acts as the most stable, reusable, and the most efficient dye degrading catalyst. Furthermore, a load of catalyst after three days stability test was also performed that indicate almost same result (3.6 mg) as performed after recycling process.

Bactericidal Activity

In-vitro bactericidal activity of BN, Bi₂ O_3, and Bi-doped BN nanosheets for Gram + ve and Gram –ve bacteria are shown with graphical presentations in Figs. 8 and 9 (a–n). The findings indicate superior bactericidal action with synergism of Bi-doped BN nanosheets against E. coli compared with S. aureus as shown in Figs. 8 and 9 (a–j). BN and Bi₂ O₃ at low concentrations showed null efficiency against G + ve and –ve bacteria. At high concentrations, BN depicted (0.35 mm) and (0.45 mm) inhibition and similarly, Bi₂ O₃ showed (0.55 mm) and (0.75 mm) zone of inhibition against G + ve and –ve bacteria respectively Figs. 8 and 9 (a, b, h–i). Significant (P  < 0.05 ) inhibition zones were detailed as (0–2.45 mm) and (3.15–4.35 mm) for S. aureus and (0–1.65 mm) and (2.15–3.65 mm) for E. coli at low and high doses, respectively Figs. 8 and 9 (c–f, j–m). The efficiency percentage (% age) raised from (0–33.8%) and (43.4–60%) against S. aureus and (0–38.8%) and (50.5–85.8%) against E. coli , respectievelijk. Ciprofloxacin used as positive control reduced (7.25 mm) and (4.25 mm) G+ve and –ve growth, respectively in comparison with DIW (0 mm). Generally, 2.5 wt% doped BN nanosheets showed zero efficiencies against Gram + ve and –ve bacteria at low dose while, other doped nanosheets depicted significant (P  < 0.05 ) antibacterial activity against Gram –ve compared to Gram +ve as shown in Figs. 8 and 9 (c–f, j–m).

een –g In-vitro antimicrobial efficiency of BN (a ) Bi₂ O₃ (b ) BN nanosheets doped with various concentrations (2.5, 5, 7.5 and 10 wt%) of Bi against S. aureus (c –f ) graphical presentation (g )

u –n In-vitro antimicrobial efficiency of BN (h ) Bi₂ O₃ (i ) BN nanosheets doped with various concentrations (2.5, 5, 7.5 and 10 wt%) of Bi against E. coli (j –m ) graphical demonstration (n )

The oxidative stress fashioned by nanosheets depends upon its size, shape, and concentration. Antibacterial activity with inhibition zones (mm) raised with greater wt% doping of Bi on BN due to more cationic availability. Antibacterial activity depending on size and concentration exhibited inverse relation to doped NS size [2, 22, 80]. ROS generation is considered a major hazardous factor for the destruction of micropathogens [81]. Small-sized NS produce reactive oxygen species (ROS) that stay more real within bacteria membrane within implants ensuing extrusion of cytoplasmic contents and damaging bacterial DNA, proteins, and enzymes thus, killing bacteria as illustrated in Additional file 1:Fig. S7 (a) [80, 82]. Upon irradiation, NPs activate e ⁻ transfer from valence to conduction bands for reduction reactions by generating holes (h ⁺ ) which, ultimately transfer to valence band for oxidation [83, 84]. The reduction process generates O₂ ⁻ . by reaction of e ⁻ with O₂ [85]. The holes (h ⁺ ) via oxidation process generate OH through reaction with either e ⁻ from water (H₂ O) or hydroxyl ions (OH ⁻ ) [86]. The intense reactive oxygen radical species OH quickly reacts with micropathogens biomolecules i.e. proteins, carbohydrates, DNA, lipids and amino acids as shown in Additional file 1:Fig. S7 (a) [87]. Bismuth composites are famous for much effective antibacterial action coupled with low environmental toxicity [88]. Secondly, strong cationic interface of Bi ⁺³ with negatively charged bacterial cell membrane parts grades in increased antibacterial action at high concentrations prompting bacteria collapse [2].

Enzyme catalyzing key steps of various biochemical reactions needed for bacterial survival represents attractive targets for antibiotic discovery. Molecular docking studies to predict inhibition tendency of nanoparticles against selected enzyme targets are of utmost importance for new antibiotic discovery. The mechanism of enzyme inhibition is depicted in Additional file 1:Fig. S7 (c) showing blockage of enzyme active site that hinder substrate access and disrupt catalytic activity of given enzyme target causing bacterial death.

Although extensive literature is reported over biological potential of nanomaterials particularly, bactericidal activity still clear mechanism of their action is not known. Nanomaterials show their antibacterial activity either through cell wall rapturing or may target key enzymes of various pathways that are essential for bacterial survival (see Additional file 1:Fig. S7) [80, 89]. Identifying their target is of worth importance and may contribute towards discovery of new antibiotics with a novel mode of action [90]. Here, enzyme targets of two well-known antibiotics i.e. Rifampicin (Nucleic acid synthesis) and Trimethoprim (Folate biosynthetic pathway) [91] have been selected to evaluate binding tendency, binding interaction pattern, and inhibitory mechanism of Bi-doped BN nanosheets behind their antibacterial activity.

In case of DHFR from E.coli , the best-docked conformation showed H-bonding interaction with Ile14 (2.68 Å) and Ile94 (2.27 Å) alongside metal-contact interaction with Tyr100 having binding score as − 11.971 kcal/mol (Fig. 10a). Similarly, H-bonding interaction with Thr46 (2.19 Å) and metal-contact with Leu20 was observed in case of DHFR from S. aureus having binding score − 8.526 kcal/mol as shown in Fig. 10b.

Binding interaction pattern of Bi-doped BN nanosheets with active site residues of dihydrofolate reductase from a E. coli en b S. aureus

For DNA gyrase from E.coli , the best binding score observed was − 6.782 kcal/mol having H-bonding interaction with Asp73 (2.22 Å) as shown in Fig. 11a while in case of DNA gyrase from S. aureus H-bonding interaction were observed with Asp81 (2.12 Å and 2.68 Å) alongside metal contact interaction with Ile175 having binding score − 7.819 kcal/mol (Fig. 11b).

Binding interaction pattern of Bi-doped BN nanosheets with active site residues of DNA gyrase from (a) E. coli and (b) S. aureus