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

La purificazione dell'acqua è una battaglia costante contro le sostanze che si rifiutano di decomporsi. Mentre i metodi tradizionali come la filtrazione o il trattamento chimico funzionano bene per molte impurità, spesso falliscono contro i persistenti residui farmaceutici che scivolano attraverso le crepe. Questi medicinali avanzati, come gli antibiotici, possono persistere in fiumi e laghi, contribuendo infine all'aumento dei batteri resistenti ai farmaci e ponendo rischi a lungo termine per gli ecosistemi e la salute umana. Per risolvere questo problema, gli scienziati si stanno rivolgendo ai processi di ossidazione avanzata, che utilizzano l'energia per creare particelle altamente reattive capaci di attaccare e smantellare questi contaminanti ostinati. Un approccio promettente combina la luce e l'elettricità. In questo metodo, un materiale speciale funge da ponte, assorbendo la luce solare per creare particelle cariche che vengono poi guidate da una corrente elettrica. Questa doppia forza aiuta a separare le cariche positive e negative che solitamente vengono generate, impedendo loro di annullarsi a vicenda e permettendo loro di lavorare efficientemente per distruggere i contaminanti.

I ricercatori dell'Università di Johannesburg hanno sviluppato un nuovo materiale progettato per rendere questo processo significativamente più efficace. Hanno creato un fotoanodo composito, un tipo di elettrodo che genera elettricità quando esposto alla luce, unendo due semiconduttori diversi: l'ossibromuro di bismuto e il tungstato di molibdeno. Questi due materiali sono stati sintetizzati insieme tramite un processo idrotermale, che consiste nel riscaldare l'acqua sotto alta pressione per incoraggiare la crescita e il legame dei cristalli. L'obiettivo era formare un tipo specifico di connessione nota come etrogiunzione p-n. In termini semplici, un materiale trasporta naturalmente un eccesso di cariche positive, mentre l'altro trasporta un eccesso di cariche negative. Quando si toccano, creano un campo elettrico interno che agisce come una strada a senso unico, costringendo le particelle cariche a muoversi in direzioni specifiche invece di rimbalzare a caso. Questa configurazione è stata progettata per risolvere un problema comune nella fotocatalisi, in cui le cariche utili si ricombinano e svaniscono prima di poter compiere qualsiasi lavoro.

Il team ha testato questo nuovo materiale tentando di scomporre la norfloxacina, un comune antibiotico presente nelle acque reflue. Hanno posto il fotoanodo in una soluzione contenente il farmaco ed esposto alla luce visibile applicando al contempo una piccola corrente elettrica. I risultati hanno mostrato un chiaro vantaggio per il materiale combinato. In condizioni ottimizzate, il composito ossibromuro di bismuto-tungstato di molibdeno ha rimosso l'85% della norfloxacina dall'acqua. Questa prestazione è stata notevolmente migliore rispetto all'uso dei due materiali originali presi singolarmente, che rimuovevano rispettivamente solo il 71% e il 56%. I ricercatori hanno confermato che il miglioramento derivava dal modo in cui i due materiali lavoravano insieme per mantenere separate le cariche, permettendo a un numero maggiore di esse di raggiungere la superficie dell'elettrodo e attaccare le molecole inquinanti.

Per capire esattamente come sia avvenuta la distruzione, gli scienziati hanno utilizzato degli scavenger chimici, ovvero sostanze che neutralizzano specifici tipi di particelle reattive. Hanno scoperto che gli agenti più importanti nella decomposizione erano le lacune cariche positivamente e i radicali superossido. Queste particelle hanno agito come armi primarie, strappando elettroni alle molecole dell'antibiotico e frammentandole. Lo studio ha anche misurato quanto del farmaco fosse stato completamente convertito in sostanze innocue come anidride carbonica e acqua, un processo chiamato mineralizzazione. In un ambiente acquoso simulato, il materiale ha raggiunto un tasso di mineralizzazione del 41%. Tuttavia, quando testato in acque reflue reali raccolte da un impianto di trattamento in Sudafrica, l'efficienza è balzata al 70%. Questo miglioramento inaspettato in condizioni reali suggerisce che altri componenti naturalmente presenti nelle acque reflue possano aver assistito il processo, forse aiutando a generare ancora più delle particelle reattive necessarie per il compito.

Anche la durabilità del nuovo materiale è stata messa alla prova. I ricercatori hanno eseguito il processo di degradazione per cinque volte consecutive utilizzando lo stesso elettrodo per vedere se si sarebbe esaurito o avrebbe perso efficacia. Sebbene il tasso di rimozione sia diminuito leggermente dopo l'uso ripetuto, il materiale è rimasto strutturalmente integro. L'analisi della struttura cristallina prima e dopo gli esperimenti non ha mostrato cambiamenti significativi, indicando che il materiale non si è sbriciolato o degradato chimicamente durante il processo. Inoltre, il team ha dimostrato che questo elettrodo non era limitato a un solo tipo di farmaco; ha mostrato buone prestazioni anche quando utilizzato per degradare altri comuni antibiotici come la tetraciclina e la ciprofloxacina. Combinando con successo due distinti semiconduttori in un sistema stabile ed efficiente, i ricercatori hanno fornito una via percorribile verso il trattamento delle acque contaminate da prodotti farmaceutici, offrendo uno strumento sostenibile che potrebbe aiutare a proteggere le riserve idriche dalla crescente minaccia dei persistenti residui di farmaci.