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

La purificación del agua es una batalla constante contra sustancias que se niegan a descomponerse. Si bien los métodos tradicionales como la filtración o el tratamiento químico funcionan bien para muchas impurezas, a menudo fallan contra los persistentes residuos farmacéuticos que se filtran por las grietas. Estos restos de medicamentos, como los antibióticos, pueden permanecer en ríos y lagos, contribuyendo eventualmente al aumento de las bacterias resistentes a los fármacos y planteando riesgos a largo plazo para los ecosales y la salud humana. Para resolver esto, los científicos están recurriendo a procesos de oxidación avanzada, que utilizan energía para crear partículas altamente reactivas capaces de atacar y desmantelar estos contaminantes difíciles. Un enfoque prometedor combina la luz y la electricidad. En este método, un material especial actúa como un puente, absorbiendo la luz solar para crear partículas cargadas que luego son guiadas por una corriente eléctrica. Esta fuerza dual ayuda a separar las cargas positivas y negativas que usualmente se generan, evitando que se cancelen entre sí y permitiéndoles trabajar de manera eficiente para destruir los contaminantes.

Investigadores de la Universidad de Johannesburgo han desarrollado un nuevo material diseñado para hacer que este proceso sea significativamente más efectivo. Crearon un fotoánodo compuesto, un tipo de electrodo que genera electricidad cuando se expone a la luz, uniendo dos semiconductores diferentes: oxibromuro de bismuto y tungstato de molibdeno. Estos dos materiales fueron sintetizados juntos mediante un proceso hidrotérmico, el cual implica calentar agua bajo alta presión para fomentar que los cristales crezcan y se unan. El objetivo era formar un tipo específico de conexión conocida como heterounión p-n. En términos sencillos, un material transporta naturalmente un exceso de cargas positivas mientras que el otro transporta un exceso de cargas negativas. Cuando se tocan, crean un campo eléctrico interno que actúa como una calle de un solo sentido, obligando a las partículas cargadas a moverse en direcciones específicas en lugar de rebotar sin rumbo. Esta configuración fue diseñada para resolver un problema común en la fotocatálisis donde las cargas útiles se recombinan y desaparecen antes de que puedan realizar cualquier trabajo.

El equipo probó este nuevo material intentando descomponer la norfloxacina, un antibiótico común encontrado en aguas residuales. Colocaron el fotoánodo en una solución que contenía el fármaco y la expusieron a la luz visible mientras aplicaban una pequeña corriente eléctrica. Los resultados mostraron una clara ventaja para el material combinado. Bajo condiciones optimizadas, el compuesto de oxibromuro de bismuto y tungstato de molibdeno eliminó el 85% de la norfloxacina del agua. Este rendimiento fue notablemente mejor que el de usar cualquiera de los dos materiales originales por separado, que eliminaron solo el 71% y el 56% respectivamente. Los investigadores confirmaron que la mejora se debió a la forma en que los dos materiales trabajaron juntos para mantener las cargas separadas, permitiendo que más de ellas llegaran a la superficie del electrodo y atacaran las moléculas contaminantes.

Para entender exactamente cómo ocurrió la destrucción, los científicos utilizaron captadores químicos, que son sustancias que neutralizan tipos específicos de partículas reactivas. Descubrieron que los agentes más importantes en la descomposición fueron los huecos con carga positiva y los radicales superóxido. Estas partículas actuaron como las armas primarias, arrebatando electrones a las moléculas del antibiótico y rompiéndolas. El estudio también midió cuánto del fármaco fue completamente convertido en sustancias inofensivas como dióxido de carbono y agua, un proceso llamado mineralización. En un entorno de agua simulado, el material logró una tasa de mineralización del 41%. Sin embargo, al ser probado en aguas residuales reales recolectadas de una planta de tratamiento en Sudáfrica, la eficiencia saltó al 70%. Esta mejora inesperada en condiciones del mundo real sugiere que otros componentes presentes naturalmente en las aguas residuales pueden haber asistido el proceso, quizás ayudando a generar incluso más de las partículas reactivas necesarias para la tarea.

La durabilidad del nuevo material también fue puesta a prueba. Los investigadores ejecutaron el proceso de degradación cinco veces consecutivas utilizando el mismo electrodo para ver si se desgastaba o perdía su efectividad. Aunque la tasa de eliminación disminuyó ligeramente tras el uso repetido, el material se mantuvo estructuralmente sólido. El análisis de la estructura cristalina antes y después de los experimentos no mostró cambios significativos, indicando que el material no se desmoronó ni se degradó químicamente durante el proceso. Además, el equipo demostró que este electrodo no estaba limitado a un solo tipo de fármaco; también mostró un buen desempeño cuando se utilizó para degradar otros antibióticos comunes como la tetraciclina y la ciprofloxacina. Al combinar exitosamente dos semiconductores distintos en un sistema estable y eficiente, los investigadores han proporcionado una vía viable hacia el tratamiento de aguas contaminadas con productos farmacéuticos, ofreciendo una herramienta sostenible que podría ayudar a proteger los suministros de agua de la creciente amenaza de los persistentes residuos de fármacos.