環境修復における抗生物質の分解に対する光触媒の性能を評価するための完全な方法

テトラサイクリン(TC)は、細菌感染に対する効果的な保護を提供する一般的な抗生物質であり、畜産、水産養殖、および疾病予防に広く使用されています^1,2。それらは、過去数十年間の過剰使用と不適切な使用、ならびに産業廃水の排出のために、水中に広く分布しています³。これは深刻な環境汚染と人間の健康への深刻なリスクを引き起こしました。例えば、水性環境におけるTCの過剰な存在は、微生物群集の分布および細菌耐性に悪影響を及ぼし、主に抗生物質の高度に親水性および生物蓄積性、ならびに一定レベルの生物活性および安定性のために、生態学的不均衡をもたらす^{可能性がある4,5,6}.環境中のTCの超安定性のために、自然に分解することは困難です。したがって、生物学的、物理化学的、および化学的処理を含む多くの方法が開発されてきた^7、8、9。生物学的処理は非常に効率的で低コストです^10,11。しかし、それらは微生物に対して有毒であるため、水中の抗生物質分子を効果的に分解および石灰化しません¹²。物理化学的方法は廃水から直接かつ迅速に抗生物質を除去することができるが、この方法は抗生物質分子を液相から固相に変換するだけであり、それらを完全に分解することはなく、コストがかかりすぎる¹³。

従来の方法とは対照的に、半導体光触媒は、その効率的な触媒分解特性により、過去数十年にわたって汚染物質の分解に広く使用されてきました¹⁴。例えば、Liらの貴金属フリー磁性_FexMny触媒は、酸化剤を使用せずに水中の様々な抗生物質分子の効率的な光触媒酸化を達成した¹⁵。Yanらは、水からのフェノール汚染物質の効率的な光触媒除去を達成するために、廃バイオマス由来炭素上でユリのようなNiCo₂O₄ナノシートをその場で合成することを報告^した16。この技術は、光によって励起された半導体触媒に依存して、光生成電子(e^–)と正孔(h⁺)^{を生成します17}。光生成されたe^–およびh⁺は、吸収された_O2およびH 2 Oと反応することにより、スーパーオキシドアニオンラジカル(O 2-)またはヒドロキシルラジカル(OH ^–)に変換され、これらの酸化活性種は水中の有機汚染物質分子を酸化および分解します CO 2 およびH ₂Oおよびその他のより小さな有機分子^18,19,20.しかし、光触媒の性能評価には統一された現場基準はありません。材料の光触媒性能の評価は、触媒調製プロセス、最適な触媒性能のための環境条件、触媒リサイクル性能などの観点から検討する必要があります。Ag₃PO 4は、その顕著な光触媒能力により_、環境修復に大きな懸念を引き起こしました。この新しい光触媒は、420nmを超える波長で最大90%の量子効率を達成し、これは以前に報告された値²¹よりも大幅に高い。しかしながら、_Ag3PO4の激しい光腐食および不十分な電子正孔分離速度は、その広い用途を制限する²²。したがって、形状最適化²³、イオンドーピング²⁴、およびヘテロ構造構築25、^26、27など、これらの欠点を克服するための様々な試みがなされている。この論文では、_Ag3PO4を形態制御とヘテロ接合工学を使用して修飾しました。まず、高表面エネルギーを有する菱形十二面体_Ag3PO4結晶を、常圧下で室温で溶媒相合成により調製した。次に、電子受容体と電子供与体の両方として作用し得る有機超分子BrSubphthalocyanin(BrSubPc)を、ソルボサーマル法によりリン酸銀表面に自己組織化した28,29,30,31,32,33,34,35.調製した材料の光触媒性能は、水中の微量テトラサイクリンを分解する調製試料の光触媒性能に対するさまざまな環境要因の影響を調べることによって評価されました。本稿は、光触媒材料の光触媒性能を体系的に評価するための参考資料であり、今後の環境修復への実用化に向けた光触媒材料の開発に意義がある。