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

Waterzuivering is een constante strijd tegen stoffen die weigeren af te breken. Hoewel traditionele methoden zoals filtratie of chemische behandeling goed werken voor veel onzuiverheden, schieten ze vaak tekort tegen hardnekkige farmaceutische resten die door de kieren glippen. Deze achtergebleven medicijnen, zoals antibiotica, kunnen achterblijven in rivieren en meren, wat uiteindelijk bijdraagt aan de opkomst van resistente bacteriën en langetermijnrisico's vormt voor ecosystemen en de menselijke gezondheid. Om dit op te lossen, richten wetenschappers zich op geavanceerde oxidatieprocessen, die energie gebruiken om zeer reactieve deeltjes te creëren die in staat zijn om deze taaie verontreinigingen aan te vallen en te ontmantelen. Eén veelbelovende aanpak combineert licht en elektriciteit. In deze methode fungeert een speciaal materiaal als een brug, dat zonlicht absorbeert om geladen deeltjes te creëren die vervolgens door een elektrische stroom worden geleid. Deze dubbele kracht helpt de positieve en negatieve ladingen te scheiden die normaal gesproken worden gegenereerd, waardoor wordt voorkomen dat ze elkaar opheffen en waardoor ze efficiënt kunnen werken om verontreinigingen te vernietigen.

Onderzoekers aan de Universiteit van Johannesburg hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat bedoeld is om dit proces aanzienlijk effectiever te maken. Ze hebben een composietfotoanode gecreëerd, een type elektrode dat elektriciteit genereert wanneer het aan licht wordt blootgesteld, door twee verschillende halfgeleiders samen te voegen: bismuthoxybromide en molybdeenwolfraamstaat. Deze twee materialen werden samen gesynthetiseerd via een hydrothermisch proces, waarbij water onder hoge druk wordt verhit om de kristallen te stimuleren om te groeien en te binden. Het doel was om een specifiek type verbinding te vormen, bekend als een p-n heterojunctie. In eenvoudige bewoordingen: het ene materiaal draagt van nature een overschot aan positieve ladingen, terwijl het andere materiaal een overschot aan negatieve ladingen draagt. Wanneer ze elkaar raken, creëren ze een intern elektrisch veld dat werkt als een eenrichtingsweg, waardoor de geladen deeltjes in specifieke richtingen worden gedwongen in plaats van dat ze doelloos rondstuiteren. Deze opstelling was ontworpen om een veelvoorkomend probleem in de fotokatalyse op te lossen, waarbij de nuttige ladingen recombineren en verdwijnen voordat ze werk kunnen verrichten.

Het team testte dit nieuwe materiaal door te proberen norfloxacine af te breken, een veelvoorkomend antibioticum dat in afvalwater wordt aangetroffen. Ze plaatsten de fotoanode in een oplossing die het medicijn bevatte en stelden deze bloot aan zichtbaar licht terwijl ze een kleine elektrische stroom aanlegden. De resultaten toonden een duidelijk voordeel voor het gecombineerde materiaal. Onder geoptimaliseerde omstandigheden verwijderde het bismuthoxybromide-molybdeenwolfraamstaat-composiet 85% van de norfloxacine uit het water. Deze prestatie was opmerkelijk beter dan het gebruik van elk van de twee oorspronkelijke materialen afzonderlijk, die respectievelijk slechts 71% en 56% verwijderden. De onderzoekers bevestigden dat de verbetering voortkwam uit de manier waarop de twee materialen samenwerkten om de ladingen gescheiden te houden, waardoor meer van hen het oppervlak van de elektrode konden bereiken en de verontreinigende moleculen konden aanvallen.

Om precies te begrijpen hoe de vernietiging plaatsvond, gebruikten de wetenschappers chemische scavengers, wat stoffen zijn die specifieke reactieve deeltjes neutraliseren. Ze ontdekten dat de belangrijkste agenten in de afbraak positief geladen gaten en superoxideradicalen waren. Deze deeltjes fungeerden als de primaire wapens, door elektronen van de antibioticamoleculen te strippen en ze uit elkaar te breken. De studie mat ook hoeveel van het medicijn volledig werd omgezet in onschadelijke stoffen zoals koolstofdioxide en water, een proces dat mineralisatie wordt genoemd. In een gesimuleerde wateromgeving bereikte het materiaal een mineralisatiesnelheid van 41%. Echter, toen het werd getest in echt afvalwater verzameld van een waterzuiveringsinstallatie in Zuid-Afrika, sprong de efficiëntie omhoog naar 70%. Deze onverwachte verbetering in realistische omstandigheden suggereert dat andere componenten die van nature in het afvalwater aanwezig zijn, het proces mogelijk hebben ondersteund, misschien door te helpen bij het genereren van nog meer van de reactieve deeltjes die nodig zijn voor de klus.

De duurzaamheid van het nieuwe materiaal werd ook op de proef gesteld. De onderzoekers voerden het degradatieproces vijf keer achter elkaar uit met dezelfde elektrode om te zien of het zou slijten of aan effectiviteit zou verliezen. Hoewel het verwijderingspercentage licht daalde na herhaaldelijk gebruik, bleef het materiaal structureel intact. Analyse van de kristalstructuur vóór en na de experimenten toonde geen significante veranderingen, wat aangeeft dat het materiaal niet afbrokkelde of chemisch degradeerde tijdens het proces. Bovendien toonde het team aan dat deze elektrode niet beperkt was tot slechts één type medicijn; het vertoonde ook een goede prestatie bij het afbreken van andere veelvoorkomende antibiotica zoals tetracycline en ciprofloxacine. Door twee verschillende halfgeleiders succesvol te combineren in een stabiel, efficiënt systeem, hebben de onderzoekers een levensvatbaar pad geboden naar de behandeling van farmaceutisch vervuild water, en bieden zij een duurzaam hulpmiddel dat kan helpen de watervoorziening te beschermen tegen de groeiende dreiging van hardnekkige medicijnresten.