BiOBr/MoWO4 p-n heterojunction photoanode for photodegradation of norfloxacin in water

Die Wasserreinigung ist ein ständiger Kampf gegen Substanzen, die sich weigern, abzubauen. Während traditionelle Methoden wie Filtern oder chemische Behandlung bei vielen Verunreinigungen gut funktionieren, versagen sie oft bei hartnäckigen pharmazeutischen Rückständen, die durch das Raster fallen. Diese Medikamentenreste, wie etwa Antibiotika, können in Flüssen und Seen verbleiben und letztlich zum Anstieg resistenter Bakterien beitragen sowie langfristige Risiken für Ökosysteme und die menschliche Gesundheit darstellen. Um dies zu lösen, wenden Wissenschaftler fortschrittliche Oxidationsprozesse an, die Energie nutzen, um hochreaktive Teilchen zu erzeugen, die in der Lage sind, diese zähen Schadstoffe anzugreifen und zu zerlegen. Ein vielversprechender Ansatz kombiniert Licht und Elektrizität. Bei dieser Methode fungiert ein spezielles Material als Brücke, das Sonnenlicht absorbiert, um geladene Teilchen zu erzeugen, die dann durch einen elektrischen Strom geleitet werden. Diese duale Kraft hilft dabei, die positiven und negativen Ladungen zu trennen, die normalerweise entstehen würden, damit sie sich nicht gegenseitig aufheben, sondern effizient arbeiten können, um Verunreinigungen zu zerstören.

Forscher der University of Johannesburg haben ein neues Material entwickelt, das darauf abzielt, diesen Prozess signifikant effektiver zu machen. Sie schufen eine zusammengesetzte Photoanode – eine Art Elektrode, die Elektrizität erzeugt, wenn sie Licht ausgesetzt wird – indem sie zwei verschiedene Halbleiter verbanden: Bismutoxychalogenid und Molybdänwolframat. Diese beiden Materialien wurden zusammen mittels eines Hydrothermalverfahrens synthetisiert, bei dem Wasser unter hohem Druck erhitzt wird, um das Wachstum und die Bindung der Kristalle zu fördern. Das Ziel war es, eine spezifische Art von Verbindung zu bilden, die als p-n-Heterojunction bekannt ist. Vereinfacht ausgedrückt trägt ein Material von Natur aus einen Überschuss an positiven Ladungen, während das andere einen Überschuss an negativen Ladungen trägt. Wenn sie aufeinandertreffen, erzeugen sie ein internes elektrisches Feld, das wie eine Einbahnstraße wirkt und die geladenen Teilchen dazu zwingt, sich in bestimmte Richtungen zu bewegen, anstatt ziellos umherzuwandeln. Dieser Aufbau wurde entwickelt, um ein häufiges Problem in der Photokatalyse zu lösen, bei dem die nützlichen Ladungen rekombinieren und verschwinden, bevor sie eine Aufgabe erfüllen können.

Das Team testete dieses neue Material mit dem Versuch, Norfloxacin abzubauen, ein gängiges Antibiotikum, das in Abwasser vorkommt. Sie platzierten die Photoanode in eine Lösung, die das Medikament enthielt, und setzten sie sichtbarem Licht aus, während sie einen kleinen elektrischen Strom anlegten. Die Ergebnisse zeigten einen klaren Vorteil für das kombinierte Material. Unter optimierten Bedingungen entfernte das Bismutoxychalogenid-Molybdänwolframat-Komposit 85 % des Norfloxacins aus dem Wasser. Diese Leistung war deutlich besser als bei der Verwendung der beiden ursprünglichen Materialien allein, die jeweils nur 7-1 % bzw. 56 % entfernten. Die Forscher bestätigten, dass die Verbesserung auf die Art und Weise zurückzuführen war, wie die beiden Materialien zusammenarbeiteten, um die Ladungen getrennt zu halten, wodurch mehr von ihnen die Oberfläche der Elektrode erreichen und die Schadstoffmoleküle angreifen konnten.

Um genau zu verstehen, wie die Zerstörung stattfand, verwendeten die Wissenschaftler chemische Scavenger (Fängerstoffe), also Substanzen, die spezifische reaktive Teilchen neutralisieren. Sie fanden heraus, dass die wichtigsten Akteure beim Abbau positiv geladene Löcher und Superoxid-Radikale waren. Diese Teilchen fungierten als primäre Waffen, indem sie Elektronen von den Antibiotika-Molekülen entzogen und diese zerlegten. Die Studie maß auch, wie viel des Medikaments vollständig in harmlose Substanzen wie Kohlendioxid und Wasser umgewandelt wurde, ein Prozess, der als Mineralisierung bezeichnet wird. In einer simulierten Wasserumgebung erreichte das Material eine Mineralisierungsrate von 41 %. Als es jedoch in echtem Abwasser getestet wurde, das aus einer Kläranlage in Südafrika stammt, sprang die Effizienz auf 70 % hoch. Diese unerwartete Verbesserung unter realen Bedingungen deutet darauf hin, dass andere in der Abwasserumgebung natürlich vorhandene Komponenten den Prozess möglicherweise unterstützt haben, etwa indem sie halfen, noch mehr der für die Aufgabe benötigten reaktiven Teilchen zu erzeugen.

Auch die Haltbarkeit des neuen Materials wurde auf die Probe gestellt. Die Forscher ließen den Degradationsprozess fünfmal hintereinander mit derselben Elektrode ablaufen, um zu sehen, ob sie abnutzen oder an Wirksamkeit verlieren würde. Während die Entfernungsrate nach wiederholter Anwendung leicht sank, blieb das Material strukturell stabil. Eine Analyse der Kristallstruktur vor und nach den Experimenten zeigte keine signifikanten Veränderungen, was darauf hindeutet, dass das Material während des Prozesses weder zerbröckelte noch chemisch degradierte. Darüber hinaus demonstrierte das Team, dass diese Elektrode nicht nur auf eine Art von Medikament beschränkt war; sie zeigte auch eine gute Leistung beim Abbau anderer gängiger Antibiotika wie Tetracyclin und Ciprofloxacin. Durch die erfolgreiche Kombination zweier unterschiedlicher Halbleiter zu einem stabilen, effizienten System haben die Forscher einen praktikablen Weg zur Behandlung von pharmazeutisch belastetem Wasser aufgezeigt und ein nachhaltiges Werkzeug bereitgestellt, das helfen kann, Wasserressourcen vor der wachsenden Bedrohung durch persistente Arzneimittelrückstände zu schützen.