Eine vollständige Methode zur Bewertung der Leistung von Photokatalysatoren für den Abbau von Antibiotika in der Umweltsanierung

Tetracycline (TCs) sind gängige Antibiotika, die einen wirksamen Schutz vor bakteriellen Infektionen bieten und in der Tierhaltung, Aquakultur und Krankheitsprävention weit verbreitet sind ^1,2. Sie sind aufgrund ihrer Überbeanspruchung und unsachgemäßen Anwendung in den letzten Jahrzehnten sowie der Einleitung von Industrieabwässern im Wasser weit verbreitet³. Dies hat zu einer schweren Umweltverschmutzung und ernsthaften Risiken für die menschliche Gesundheit geführt. Beispielsweise kann das übermäßige Vorhandensein von TCs in der wässrigen Umgebung die Verteilung der mikrobiellen Gemeinschaft und die bakterielle Resistenz negativ beeinflussen, was zu ökologischen Ungleichgewichten führt, die hauptsächlich auf die stark hydrophile und bioakkumulative Natur von Antibiotika sowie auf ein gewisses Maß an Bioaktivität und Stabilität zurückzuführen^{sind 4,5,6} . Aufgrund der Hyperstabilität von TC in der Umwelt ist es schwierig, auf natürliche Weise abzubauen. Daher wurden viele Methoden entwickelt, einschließlich biologischer, physikalisch-chemischer und chemischer Behandlungen ^7,8,9. Biologische Behandlungen sind hocheffizient und kostengünstig^10,11. Da sie jedoch für Mikroorganismen toxisch sind, bauen sie Antibiotikamoleküle im Wasser nicht effektiv ab und mineralisieren^{sie 12}. Obwohl physikalisch-chemische Methoden Antibiotika direkt und schnell aus dem Abwasser entfernen können, wandelt diese Methode die Antibiotikamoleküle nur von der flüssigen in die feste Phase um, baut sie nicht vollständig ab und ist zu kostspielig¹³.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden wurde die Halbleiter-Photokatalyse in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer effizienten katalytischen Abbaueigenschaften in großem Umfang für den Abbau von Schadstoffen eingesetzt¹⁴. Zum Beispiel erreichte der edelmetallfreie magnetische Fe_xMn_{y-Katalysator} von Li et al. eine effiziente photokatalytische Oxidation einer Vielzahl von antibiotischen Molekülen in Wasser ohne die Verwendung eines Oxidationsmittels¹⁵. Yan et al. berichteten über die In-situ-Synthese von lilienartigen NiCo₂O_{4-Nanoblättern} auf aus Biomasse gewonnenem Kohlenstoff, um eine effiziente photokatalytische Entfernung von phenolischen Schadstoffen aus Wasser zu erreichen¹⁶. Die Technologie beruht auf einem Halbleiterkatalysator, der durch Licht angeregt wird, um photogenerierte Elektronen (e^–) und Löcher (h⁺) zu ^erzeugen17. Die photogenerierten e- und h⁺ werden durch Reaktion mit absorbiertem O2 und H2O in Superoxidanionenradikale ^(O2-) oder Hydroxylradikale (OH^–) umgewandelt, und diese oxidativ aktiven Spezies oxidieren und zersetzen organische Schadstoffmoleküle in Wasser in CO2 und _H2Ound andere kleinere organischeMoleküle^18,19,20 . Es gibt jedoch keinen einheitlichen Feldstandard für die Leistungsbewertung von Photokatalysatoren. Die Bewertung der photokatalytischen Leistung eines Materials sollte in Bezug auf den Katalysatorherstellungsprozess, die Umgebungsbedingungen für eine optimale katalytische Leistung, die Katalysatorrecyclingleistung usw. untersucht werden. Ag₃PO₄ hat mit seiner herausragenden photokatalytischen Fähigkeit erhebliche Besorgnis bei der Umweltsanierung ausgelöst. Dieser neue Photokatalysator erreicht Quanteneffizienzen von bis zu 90 % bei Wellenlängen größer als 420 nm, was deutlich über den bisher berichteten Werten²¹ liegt. Die starke Photokorrosion und die unbefriedigende Elektronenloch-Trennrate von Ag₃PO₄ schränken jedoch seine breite Anwendung^{ein 22}. Daher wurden verschiedene Versuche unternommen, diese Nachteile zu überwinden, wie z. B. Formoptimierung²³, Ionendotierung 24 und Heterostrukturbildung^25,26,27. In dieser Arbeit wurde Ag₃PO₄ sowohl mit Hilfe der Morphologiekontrolle als auch des Heterojunction-Engineerings modifiziert. Zunächst wurden rhombisch dodekaedrische_{Ag3PO4-Kristalle} mit hoher Oberflächenenergie durch Lösungsmittelphasensynthese bei Raumtemperatur unter Umgebungsdruck hergestellt. Dann wurde organisches supramolekulares BrSubphthalocyanin (BrSubPc), das sowohl als Elektronenakzeptor als auch als Elektronendonor fungieren kann, auf der Silberphosphatoberfläche durch die solvothermale Methode 28,29,30,31,32,33,34,35 selbst assembliert . Die photokatalytische Leistung der hergestellten Materialien wurde bewertet, indem der Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf die photokatalytische Leistung der vorbereiteten Proben zum Abbau von Spuren von Tetracyclin in Wasser untersucht wurde. Diese Arbeit bietet eine Referenz für die systematische Bewertung der photokatalytischen Leistung der Materialien, die für die zukünftige Entwicklung photokatalytischer Materialien für praktische Anwendungen in der Umweltsanierung von Bedeutung ist.