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

수질 정화는 분해되기를 거부하는 물질들과의 끊임없는 싸움입니다. 여과나 화학적 처리와 같은 전통적인 방식은 많은 불순물에 효과적이지만, 틈새를 빠져나가는 끈질긴 의약품 잔류물 앞에서는 종종 무력해집니다. 항생제와 같은 이러한 남겨진 약물들은 강과 호수에 계속 머물 수 있으며, 결국 내성 박테리아의 증가를 초래하고 생태계와 인류 건강에 장기적인 위험을 초래할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 고도 산화 공정에 주목하고 있는데, 이는 에너지를 사용하여 강력한 반응성을 가진 입자를 생성함으로써 이러한 까다로운 오염 물질을 공격하고 해체합니다. 한 가지 유망한 접근법은 빛과 전기를 결합하는 것입니다. 이 방법에서는 특수한 물질이 가교 역할을 하여, 햇빛을 흡수해 전하를 띤 입자를 생성한 뒤 이를 전류에 의해 유도합니다. 이 이중적인 힘은 보통 생성된 후 서로 상쇄되어 버리는 양전하와 음전하를 분리하여, 이들이 효율적으로 오염 물질을 파괴할 수 있도록 돕습니다.

요하네스버그 대학교의 연구진은 이 과정을 훨씬 더 효과적으로 만들기 위해 설계된 새로운 물질을 개발했습니다. 그들은 두 종류의 반도체인 옥시브롬화 비스무트와 텅스텐산 몰리브데늄을 결합하여, 빛에 노출되었을 때 전기를 생성하는 전극의 일종인 복합 광전극을 만들었습니다. 이 두 물질은 고압 상태에서 물을 가열하여 결정이 성장하고 결합하도록 유도하는 수열 합성법을 통해 함께 합성되었습니다. 목표는 p-n 이종 접합이라고 알려진 특정 유형의 연결을 형성하는 것이었습니다. 간단히 말해, 한 물질은 자연적으로 과잉의 양전하를 띠는 반면, 다른 물질은 과잉의 음전하를 띱니다. 이들이 맞닿으면 내부 전기장을 형성하는데, 이는 마치 일방통행로처럼 작용하여 전하를 띤 입자들이 목적 없이 이리저리 튀어 다니는 대신 특정 방향으로 이동하도록 강제합니다. 이 설정은 광촉매 작용에서 유용한 전하들이 일을 하기도 전에 재결합하여 사라져 버리는 흔한 문제를 해결하기 위해 설계되었습니다.

연구팀은 폐수에서 흔히 발견되는 항생제인 노르플록사신을 분해하는 실험을 통해 이 신물질을 테스트했습니다. 그들은 광전극을 노르플록사신이 포함된 용액에 넣고 가시광선에 노출시키는 동시에 미세한 전류를 가했습니다. 결과는 결합된 물질에서 뚜렷한 우위를 보여주었습니다. 최적화된 조건에서 옥시브■롬화 비스무트-텅스텐산 몰리브데늄 복합체는 물속의 노르플록사신을 85% 제거했습니다. 이 성능은 각각 71%와 56%만을 제거한 두 가지 원래의 물질을 단독으로 사용했을 때보다 눈에 띄게 높았습니다. 연구진은 이러한 개선이 두 물질이 전하를 분리하여 유지함으로써 더 많은 전하가 전극 표면에 도달해 오염 물질을 공격할 수 있게 만든 방식 덕분임을 확인했습니다.

파괴가 정확히 어떻게 일어났는지 이해하기 위해, 과학자들은 특정 반응성 입자를 중화시키는 물질인 화학적 스캐빈저(scavenger)를 사용했습니다. 그들은 가장 중요한 작용제가 양전하를 띤 정공(hole)과 슈퍼옥사이드 라디칼이라는 것을 발견했습니다. 이 입자들은 주요 무기로서 항생제 분자로부터 전자를 빼앗아 분자를 해체했습니다. 또한 연구진은 약물이 이산화탄소와 물 같은 무해한 물질로 완전히 전환되는 정도, 즉 광물화 과정을 측정했습니다. 모사된 수질 환경에서 이 물질은 41%의 광물화율을 달ach했습니다. 그러나 남아프리카 공화국의 하수 처리장에서 수집된 실제 폐수에서 테스트했을 때, 효율은 70%로 급증했습니다. 실제 환경 조건에서의 이러한 예상치 못한 개선은 폐수에 자연적으로 존재하는 다른 성분들이 아마도 필요한 반응 입자를 생성하는 데 도움을 주어 과정을 보조했을 가능성을 시사합니다.

새로운 물질의 내구성 또한 검증되었습니다. 연구진은 동일한 전극을 사용하여 다섯 번 연속으로 분해 과정을 실행하며 물질이 마모되거나 효과를 잃는지 확인했습니다. 반복적인 사용 후에 제거율이 약간 떨어지기는 했지만, 물질은 구조적으로 견고하게 유지되었습니다. 실험 전후의 결정 구조 분석 결과 유의미한 변화가 없었으며, 이는 과정 중에 물질이 부서지거나 화학적으로 퇴화하지 않았음을 나타냅니다. 나아가 연구팀은 이 전극이 단 한 종류의 약물에 국한되지 않고, 테트라사이클린이나 시프로플록사신과 같은 다른 흔한 항생제를 분해할 때도 우수한 성능을 보인다는 것을 입증했습니다. 서로 다른 두 반도체를 안정적이고 효율적인 시스템으로 성공적으로 결합함으로써, 연구진은 의약품으로 오염된 물을 처리하기 위한 실행 가능한 경로를 제시하였으며, 지속적인 약물 잔류물의 위협으로부터 수자원을 보호하는 데 도움이 될 수 있는 지속 가능한 도구를 제공했습니다.