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

La purification de l'eau est une lutte constante contre des substances qui refusent de se décomposer. Bien que les méthodes traditionnelles comme la filtration ou le traitement chimique fonctionnent bien pour de nombreuses impuretés, elles échouent souvent face aux résidus pharmaceutiques tenaces qui passent entre les mailles du filet. Ces restes de médicaments, tels que les antibiotiques, peuvent stagner dans les rivières et les lacs, contribuant ainsi à l'augmentation des bactéries résistantes aux médicaments et posant des risques à long terme pour les écosystèmes et la santé humaine. Pour résoudre ce problème, les scientifiques se tournent vers les processus d'oxydation avancée, qui utilisent l'énergie pour créer des particules hautement réactives capables d'attaquer et de démanteler ces polluants difficiles. Une approche prometteuse combine la lumière et l'électricité. Dans cette méthode, un matériau spécial sert de pont, absorbant la lumière solaire pour créer des particules chargées qui sont ensuite guidées par un courant électrique. Cette double force aide à séparer les charges positives et négatives qui sont habituellement générées, empêchant ainsi qu'elles ne s'annulent et permettant de travailler efficacement pour détruire les contaminants.

Des chercheurs de l'Université de Johannesburg ont développé un nouveau matériau conçu pour rendre ce processus nettement plus efficace. Ils ont créé un photoanode composite, un type d'électrode qui génère de l'électricité lorsqu'elle est exposée à la lumière, en joignant deux semi-conducteurs différents : l'oxybromure de bismuth et le tungstate de molybdène. Ces deux matériaux ont été synthétisés ensemble par un processus hydrothermal, qui consiste à chauffer l'eau sous haute pression pour encourager les cristaux à croître et à se lier. L'objectif était de former un type spécifique de connexion appelée hétérojonction p-n. En termes simples, un matériau transporte naturellement un excès de charges positives tandis que l'autre transporte un excès de charges négatives. Lorsqu'ils se touchent, ils créent un champ électrique interne qui agit comme une rue à sens unique, forçant les particules chargées à se déplacer dans des directions spécifiques plutôt que de ricocher de manière désordonnée. Cette configuration a été conçue pour résoudre un problème courant en photocatalyse où les charges utiles se recombinent et disparaissent avant de pouvoir accomplir leur travail.

L'équipe a testé ce nouveau matériau en tentant de décomposer la norfloxacine, un antibiotique courant trouvé dans les eaux usées. Ils ont placé la photoanode dans une solution contenant le médicament et l'ont exposée à la lumière visible tout en appliant un faible courant électrique. Les résultats ont montré un avantage clair pour le matériau combiné. Dans des conditions optimisées, le composite oxybromure de bismuth-tungstate de molybdène a éliminé 85 % de la norfloxacine de l'eau. Cette performance était notablement supérieure à l'utilisation de chacun des deux matériaux originaux seuls, qui éliminaient respectivement 71 % et 56 %. Les chercheurs ont confirmé que l'amélioration provenait de la manière dont les deux matériaux travaillaient ensemble pour maintenir les charges séparées, permettant à un plus grand nombre d'entre elles d'atteindre la surface de l'électrode et d'attaquer les molécules polluantes.

Pour comprendre exactement comment la destruction s'est produite, les scientifiques ont utilisé des piégeurs chimiques, qui sont des substances neutralisant des types spécifiques de particules réactives. Ils ont découvert que les agents les plus importants dans la décomposition étaient les trous chargés positivement et les radicaux superoxydes. Ces particules agissaient comme les armes primaires, arrachant des électrons aux molécules d'antibiotiques et les brisant. L'étude a également mesuré la quantité de médicament qui était complètement convertie en substances inoffensives comme le dioxyde de carbone et l'eau, un processus appelé minéralisation. Dans un environnement aqueux simulé, le matériau a atteint un taux de minéralisation de 41 %. Cependant, lors de tests dans de réelles eaux usées collectées dans une station de traitement en Afrique du Sud, l'efficacité a bondi à 70 %. Cette amélioration inattendue dans des conditions réelles suggère que d'autres composants naturellement présents dans les eaux usées ont pu assister le processus, peut-être en aidant à générer encore plus de particules réactives nécessaires à la tâche.

La durabilité du nouveau matériau a également été mise à l'épreuve. Les chercheurs ont mené le processus de dégradation cinq fois consécutives en utilisant la même électrode pour voir si elle s'userait ou perdrait son efficacité. Bien que le taux d'élimination ait légèrement baissé après des utilisations répétées, le matériau est resté structurellement sain. L'analyse de la structure cristalline avant et après les expériences n'a montré aucun changement significatif, indiquant que le matériau ne s'est pas effrité ni dégradé chimiquement pendant le processus. De plus, l'équipe a démontré que cette électrode n'était pas limitée à un seul type de médicament ; elle a également montré de bonnes performances lors de la dégradation d'autres antibiotiques courants comme la tétracycline et la ciprofloxacine. En combinant avec succès deux semi-conducteurs distincts en un système stable et efficace, les chercheurs ont ouvert une voie viable vers le traitement des eaux contaminées par les produits pharmaceutiques, offrant un outil durable qui pourrait aider à protéger les réserves d'eau contre la menace croissante des résidus médicamenteux persistants.