طراحی نانوفوتوکاتالیست خورشیدی برای حذف آنتی‌بیوتیک‌ها از منابع آب

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو به نقل از از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این ماده نوین که بر پایه یک ساختار نانوهتروجانکشن سه‌تایی طراحی شده، حاصل ترکیب هوشمندانه فناوری نانو با روش‌های نوآورانه سنتز است.

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که می‌توان با تکیه بر نور خورشید و مواد نانوساختار، گامی مؤثر در جهت تصفیه پایدار آب و کاهش مخاطرات زیست‌محیطی ناشی از آلاینده‌های دارویی برداشت.

آلودگی منابع آب به باقی‌مانده‌های دارویی، به‌ویژه آنتی‌بیوتیک‌ها، به یکی از دغدغه‌های جدی محیط‌زیستی و بهداشتی در دهه‌های اخیر تبدیل شده است. ترکیباتی مانند آنتی‌بیوتیک‌های کینولونی که به‌طور گسترده در درمان‌های انسانی و دامپزشکی مصرف می‌شوند، پس از ورود به محیط‌های آبی به‌سختی تجزیه می‌شوند و روش‌های متداول تصفیه آب توان حذف کامل آنها را ندارند.

حضور این آلاینده‌ها می‌تواند به گسترش مقاومت آنتی‌بیوتیکی، اختلال در زنجیره‌های زیستی و تهدید سلامت انسان منجر شود. همین مسئله، ضرورت توسعه راهکار‌های نوین، کارآمد و پایدار برای حذف این ترکیبات را بیش از پیش برجسته می‌کند.

در این چارچوب، پژوهشگران دانشگاه صنعتی سهند با تمرکز بر فناوری نانو و بهره‌گیری از انرژی خورشیدی، موفق به طراحی و ساخت یک نانوفوتوکاتالیست نوظهور شده‌اند که توان بالایی در حذف آنتی‌بیوتیک‌های کینولونی از محیط‌های آبی دارد. این پژوهش با معرفی یک ساختار سه‌تایی موسوم به CeO₂/Bi₂₄O₃₁Cl₁₀/Bi₃O₄Cl، افق تازه‌ای در حوزه تصفیه پیشرفته آب و پساب‌های دارویی گشوده است.

فوتوکاتالیست‌ها موادی هستند که با جذب نور، واکنش‌های شیمیایی تخریبی را فعال می‌کنند و می‌توانند آلاینده‌های پیچیده را به ترکیبات ساده‌تر و کم‌خطرتر تبدیل کنند. با این حال، بسیاری از فوتوکاتالیست‌های متداول تنها در محدوده فرابنفش فعال‌اند و کارایی محدودی در نور خورشید دارند.

چالش اصلی این پژوهش نیز دقیقاً در همین نقطه تعریف می‌شود: چگونه می‌توان ماده‌ای طراحی کرد که هم در نور مرئی خورشید فعال باشد و هم بازده بالایی در تخریب آلاینده‌های دارویی نشان دهد؟ پاسخ این پرسش، در مهندسی نانوساختار و ایجاد هتروجانکشن‌های چندگانه نهفته است. بخش نانویی این پژوهش، بر طراحی یک نانوفوتوکاتالیست سه‌تایی با اتصال فاز‌های مختلف در مقیاس نانو متمرکز بوده است.

این ساختار هتروجانکشن سه‌گانه، امکان جداسازی مؤثرتر الکترون و حفره و کاهش بازترکیب آنها را فراهم می‌کند؛ عاملی کلیدی که مستقیماً به افزایش راندمان فوتوکاتالیستی منجر می‌شود.

برای ساخت این نانوماده، پژوهشگران از روشی نوآورانه با عنوان «احتراق مایکروویوی همراه با فرایند هیدروترمال القاشده با امواج فراصوت» استفاده کرده‌اند. به‌کارگیری هم‌زمان مایکروویو و فراصوت، نه‌تنها به کاهش اندازه ذرات و بهبود پراکندگی نانوساختار‌ها کمک کرده، بلکه باعث یکنواختی بهتر فاز‌ها در مقیاس نانو شده است.

مقایسه نمونه‌های سنتزشده با و بدون فراصوت نشان می‌دهد که حضور انرژی فراصوت، نقشی تعیین‌کننده در بهبود ویژگی‌های ساختاری و عملکردی فوتوکاتالیست دارد.

نتایج آزمایش‌ها حاکی از آن است که نانوفوتوکاتالیست CeO₂/Bi₂₄O₃₁Cl₁₀/Bi₃O₄Cl با نسبت وزنی ۳ به ۱، بهترین عملکرد را در میان نمونه‌های بررسی‌شده از خود نشان داده است. این ماده توانسته است پس از ۱۸۰ دقیقه تابش نور خورشید، حدود ۸۷.۶ درصد نورفلوکساسین، ۷۰.۲ درصد لووفلوکساسین، ۶۶.۲ درصد افلوکساسین و ۵۷.۹ درصد سیپروفلوکساسین را از محلول‌های آلوده حذف کند. این در حالی است که نمونه مشابه بدون استفاده از فراصوت، عملکرد ضعیف‌تری را به نمایش گذاشته است.

بررسی‌های طیف‌سنجی نشان می‌دهد که این نانوکامپوزیت دارای دو لبه جذب نوری در ناحیه مرئی است که بیانگر تشکیل موفق ساختار سه‌تایی و قابلیت جذب مؤثر نور خورشید است. تصاویر میکروسکوپی نیز توزیع یکنواخت نانوذرات اکسید سریم بر روی صفحات ترکیبات بیسموتی را تأیید می‌کند؛ ساختاری که برای انتقال مؤثر بار و افزایش واکنش‌های سطحی بسیار حیاتی است.

از منظر ویژگی‌های سطحی، وجود هم‌زمان حفره‌های مزو و ماکرو در این نانوفوتوکاتالیست، مسیر نفوذ آلاینده‌ها به سطح فعال را تسهیل کرده و انتقال جرم را بهبود بخشیده است. این عامل، در کنار اثرات پلاسمونی و ساختار هتروجانکشن، نقش مهمی در افزایش بازده تخریب فوتوکاتالیستی ایفا می‌کند.

نکته مهم دیگر، پایداری و قابلیت استفاده مجدد این نانوفوتوکاتالیست است. نتایج آزمون‌های بازیافت نشان می‌دهد که ماده توسعه‌یافته پس از چندین چرخه استفاده، افت عملکرد قابل توجهی ندارد؛ ویژگی‌ای که آن را برای کاربرد‌های عملی و صنعتی امیدوارکننده می‌سازد.

در مجموع، این پژوهش نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با بهره‌گیری هوشمندانه از فناوری نانو، طراحی ساختار‌های هتروجانکشن و استفاده از انرژی پاک خورشیدی، راهکاری مؤثر برای مقابله با آلودگی‌های دارویی ارائه داد.

دستاورد پژوهشگران دانشگاه صنعتی سهند، نمونه‌ای روشن از نقش فناوری‌های نوظهور در حل مسائل پیچیده زیست‌محیطی است و می‌تواند زمینه‌ساز توسعه سامانه‌های تصفیه پایدار و کم‌هزینه برای حفاظت از منابع آب باشد.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان Emerging CeO ۲/Bi ۲۴ O ۳۱ Cl ۱۰/Bi ۳ O ۴ Cl ternary-hetero-assembly nanophotocatalyst for superior sunlight-irradiated photo-elimination of quinolone antibiotics: Microwave combustion-assisted sono-induced-hydrothermal synthesis در نشریه Journal of Cleaner Production به چاپ رسیده است.