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

水净化是一场针对那些拒绝分解物质的持久战。虽然过滤或化学处理等传统方法对许多杂质有效，但面对那些能从缝隙中溜走的顽固药物残留物时，它们往往显得力不从心。这些残留药物（如抗生素）可能会在河流和湖泊中长期存在，最终导致耐药细菌的增加，并对生态系统和人类健康构成长期风险。为了解决这一问题，科学家们正转向高级氧化工艺，利用能量产生高度活跃的粒子，从而攻击并拆解这些棘手的污染物。一种极具前景的方法是将光与电结合起来。在这种方法中，一种特殊的材料充当桥梁，吸收阳光以产生带电粒子，然后由电流进行引导。这种双重力量有助于分离通常会相互抵消的正负电荷，防止它们在发挥作用前相互湮灭，从而使其能够高效地破坏污染物。

约翰内斯堡大学的研究人员开发出一种旨在显著提高该过程效率的新型材料。他们通过将两种不同的半导体——溴化氧铋和钨酸钼结合在一起，创造了一种复合光阳极，这是一种在暴露于光照时能产生电力的电极。这两种材料是通过水热法合成在一起的，该方法涉及在高压下加热水，以促进晶体的生长和结合。其目标是形成一种被称为 p-n 异质结的特定连接方式。简单来说，一种材料天然携带过剩的正电荷，而另一种则携带过剩的负电荷。当它们接触时，会产生一个内部电场，就像一条单行道，迫使带电粒子向特定方向移动，而不是漫无目的地四处跳动。这种设置旨在解决光催化中的一个常见问题，即有用的电荷在进行任何有效工作之前就发生复合并消失。

研究小组通过尝试分解废水中的常见抗生素诺氟沙星来测试这种新材料。他们将光阳极放入含有该药物的溶液中，在暴露于可见光的同时施加微小的电流。结果显示，这种复合材料具有明显的优势。在优化条件下，溴化氧铋-钨酸钼复合材料去除了水中 85% 的诺氟沙星。这一表现明显优于单独使用这两种原始材料中的任何一种，后者分别仅去除了 71% 和 56%。研究人员证实，性能的提升源于两种材料协同工作的方式，即它们如何保持电荷分离，从而让更多的电荷到达电极表面并攻击污染物分子。

为了准确理解破坏是如何发生的，科学家们使用了化学清除剂，即能够中和特定类型活性粒子的物质。他们发现，分解过程中最重要的媒介是带正电的空穴和超氧自由基。这些粒子充当了主要武器，通过夺取抗生素分子的电子使其破碎。研究还测量了药物被完全转化为二氧化碳和水等无害物质（这一过程称为矿化）的程度。在模拟水环境中，该材料实现了 41% 的矿化率。然而，在对南非污水处理厂收集的真实废水进行测试时，其效率跃升至 70%。这种在现实世界条件下出现的意外提升表明，废水中自然存在的其他成分可能辅助了这一过程，或许是通过帮助产生了更多所需的活性粒子来完成这项工作。

这种新材料的耐用性也受到了测试。研究人员连续五次使用同一个电极运行降解过程，以观察它是否会磨损或失去效力。虽然在重复使用后去除率略有下降，但材料在结构上保持稳固。实验前后晶体结构的分析显示没有显著变化，表明材料在过程中没有发生化学崩解或退化。此外，团队还证明了该电极并不局限于单一类型的药物；在降解四环素和环丙沙星等其他常见抗生素时，它也表现出了良好的性能。通过成功将两种不同的半导体结合成一个稳定且高效的系统，研究人员为处理受药物污染的水提供了切实可行的路径，提供了一种可持续的工具，有助于保护水资源免受持久性药物残留日益增长的威胁。