Биочар‑на основе нанокомпозит g-C3N4/Bi2WO6/Ag3PO4 с двойной Z‑схемой для эффективного удаления антибиотиков и синергетических механизмов

Почему важно очищать воду от антибиотиков

Антибиотики спасли бесчисленное количество жизней, но после попадания в окружающую среду они могут сохраняться в реках, озёрах и сточных водах. В таких условиях они способствуют появлению трудно лечимых «супербактерий» и распространению генов устойчивости в микробных сообществах. В статье, которую здесь резюмируют, описан новый материал, работающий на солнечном свете, способный быстро разрушать стойкие антибиотики в воде и одновременно уничтожать вредные бактерии — это указывает путь к более устойчивым способам обеспечения безопасной воды.

Умная губка для света и загрязнителей

Исследователи разработали сложный «фотокатализатор», который действует подобно губке, питаемой солнцем. Он состоит из четырёх основных компонентов: пористого углеродного материала, похожего на древесный уголь, так называемого биочара, и трёх светочувствительных твёрдых веществ на основе углеродного нитрида, вольфрамата висмута и фосфата серебра. Биочар, получаемый путём термической обработки растительных отходов, обеспечивает сотоподобную структуру с множеством мелких пор и большой внутренней площадью поверхности. Эта структура помогает захватывать молекулы антибиотиков из воды и даёт обширную поверхность для закрепления остальных трёх компонентов в виде наночастиц. В совокупности они образуют плотно связанный композит, поэтому падающий свет эффективно преобразуется в реактивные заряды, которые перемещаются по всей сети, а не теряются там, где образовались.

Использование солнечного света для разрушения антибиотиков

При освещении этот композит поглощает широкий диапазон излучения от ультрафиолета до видимого света. Энергия разделяет электрические заряды в материале на подвижные электроны и «дыры», которые ведут себя как положительные заряды. Во многих фотокатализаторах эти заряды быстро рекомбинируют, теряя энергию света. Здесь тщательная настройка уровней энергии трёх светопоглощающих компонентов, в сочетании с проводящим биочаром, создаёт то, что авторы называют «двойной Z‑схемой». Проще говоря, электроны и дыры направляются по двум переплетённым путям так, чтобы наиболее энергетичные электроны и сильнейшие окисляющие дыры оказались в разных частях композита, что значительно снижает рекомбинацию. Эти заряды реагируют с водой и кислородом, генерируя высокореактивные формы кислорода, включая супероксид‑анионы и гидроксильные радикалы, которые атакуют молекулы антибиотиков, таких как тетрациклин, расщепляя их на более мелкие фрагменты и, в конечном счёте, до углекислого газа и воды.

Эффективность в лаборатории и в реальных сточных водах

В испытаниях с водой, содержащей распространённый ветеринарный антибиотик тетрациклин, новый композит удалял почти весь относительно высокий начальный концентрационный уровень в течение двух часов воздействия света. Его скорость реакции была примерно в 9–14 раз выше, чем у любого из трёх светочувствительных компонентов по отдельности. Измерения общего органического углерода показали, что значительная часть углерода антибиотика действительно минерализовалась, а не просто превращалась в слегка изменённые побочные продукты. Тот же материал успешно работал и с двумя другими широко используемыми антибиотиками — норфлоксацином и хлорамфениколом. Важно, что при испытаниях на реальных промышленных сточных водах, уже содержащих смесь загрязнителей, композит всё ещё удалял более 85 процентов тетрациклина и значительную долю других препаратов, что говорит о его способности справляться с химической сложностью природных стоков.

Уничтожение микробов при минимальном выделении металлов

Помимо разрушения молекул лекарств, материал также выступал в роли дезинфицирующего средства. Под светом он уничтожал около 99 процентов как Escherichia coli, так и Staphylococcus aureus в течение 48 часов. Этот эффект, по-видимому, обусловлен сочетанием тех же реактивных форм кислорода, что используются для деградации антибиотиков, и небольшого количества ионов серебра, высвобождающихся из компонента на основе фосфата серебра. Тесты в многократных циклах показали, что композит сохраняет свою структурную устойчивость и теряет лишь несколько процентов активности, при этом выделяя гораздо меньше серебра, чем сам серебряный компонент. Детальные электрические и оптические измерения подтвердили, что биочар не только помогает захватывать загрязнители, но и улучшает перенос зарядов, увеличивает время жизни светогенерируемых зарядов и усиливает образование реактивных видов.

Что это значит для очистки воды

Проще говоря, исследование показывает, что продуманное сочетание биочара из отходов и нескольких комплементарных светочувствительных материалов может дать мощный многоразовый инструмент очистки воды. Под имитированным солнечным светом этот композит способен одновременно разрушать стойкие антибиотики и уничтожать бактерии, даже в сложных стоках, при этом ограничивая выделение тяжёлых металлов. Работа предлагает план для разработки следующего поколения фотокатализаторов, использующих солнечную энергию и недорогие углеродные материалы для борьбы с новыми загрязнителями и дезинфекцией в одном интегрированном шаге.

Цитирование: Wang, T., Zhang, D., Shi, H. et al. Double Z-scheme biochar-based g-C₃N₄/Bi₂WO₆/Ag₃PO₄ nanocomposite for efficient removal of antibiotics and synergistic mechanisms. Commun Chem 9, 105 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01923-w

Ключевые слова: фотокаталитическая очистка воды, загрязнение антибиотиками, композиты на основе биочара, солнечная дезинфекция, продвинутые окислительные процессы