Under det senaste halvseklet, BPA har gått från mirakel till hot. Dess popularitet steg i höjden efter 1950-talet, när forskare upptäckte att den kunde användas för att tillverka polykarbonatplast – en hård, hållbar, och transparent material perfekt för allt från vattenflaskor till medicintekniska produkter.

Men nyligen, att den skyhöga framgången har försämrats:en växande mängd bevis tyder på att även låga doser av BPA kan vara skadliga för människors och miljöns hälsa. Det är klassat som en hormonstörande förening, ett ämne som kan störa kroppens hormonbalans och potentiellt orsaka cancer eller fosterskador.

Många tillverkare fasar ut BPA från sina produkter, särskilt förvaringsbehållare som används för mat och dryck, men det är fortfarande en enorm industri. Vidare, BPA bryts inte ner lätt, vilket gör det svårt att kassera materialet på ett säkert sätt. Om den rinner ut i vattendrag, det kan kvarstå som ett miljögift.

Nu, forskare har utvecklat en ny hybrid fotokatalysator som kan bryta ner BPA med hjälp av synligt ljus. Deras fynd, publicerades denna vecka i tidskriften APL-material , från AIP Publishing, kan så småningom användas för att behandla vattenförsörjning och för att på ett säkrare sätt göra sig av med BPA och liknande material.

Hur den nya katalysatorn fungerar

Deras nya material bryter ner BPA genom fotokatalytisk oxidation, en process där ljus aktiverar en oxiderande kemisk reaktion. När ljus träffar en fotokatalysator som titandioxid (TiO2) nanopartiklar, energistöten kan sparka upp en av dess elektroner till ett exciterat tillstånd och skapa en obalans i laddningsfördelningen. Vid elektronen med högre energi, det finns nu ett överskott av negativ laddning på grund av tillsatsen av en elektron. Under tiden, vid det lägre energielektronbandet, det finns ett överskott av positiv laddning (känd som ett "hål") eftersom en elektron har lämnat. I denna upphetsade, obalanserat tillstånd, TiO2 kan katalysera oxidation och reducering av material runt det. Den exciterade elektronen kommer att ha en tendens att lämna TiO2 för att reducera något i närheten, medan hålet kommer att hjälpa ett annat ämne att oxidera genom att acceptera en av dess elektroner.

Dock, ren TiO2 har en stor bandgap - det vill säga det tar mycket energi att excitera elektroner från en nivå till en annan – och visar endast fotokatalytiska egenskaper under ultraviolett ljus. Plus, den exciterade elektronen tenderar att snabbt falla tillbaka och kombineras med hålet, ger katalysatorn lite tid i sitt upphetsade tillstånd att framkalla en reaktion.

För att förvandla TiO2 nanopartiklar till en bättre fotokatalysator, forskarna gjorde flera modifieringar. Först, de tillsatte silver till ytan av nanopartiklarna, en vanlig teknik för att förbättra laddningsseparationen. När ljus träffar TiO2 och exciterar en av dess elektroner, silvret drar bort den elektronen så att den inte kan falla ner i hålet igen. Hålet kan då lättare hjälpa till i en oxidationsreaktion.

Tillsatsen av silver förändrade också våglängden vid vilken fotokatalysatorn blev exciterad genom att inducera lokaliserade ytplasmonresonanseffekter - ett fenomen där energiska elektroner på ytan av ett material vibrerar vid en specifik frekvens och förbättrar ljusabsorptionen över ett smalt våglängdsområde. I detta fall, silvret skiftade ljusets våglängd för att aktivera fotokatalysatorn mot det synliga ljusets spektrum.

"Inkluderandet av en ädel metall [som silver] i den ultraviolett-känsliga TiO2 har avsevärt utökat spektrumet mot det synliga ljuset genom lokaliserade ytplasmonresonanseffekter, sade Pichiah Saravanan, en forskare från University of Malaya som leder projektet.

Sedan, de lindade Ag/TiO2-nanopartiklarna i ark av reducerad grafenoxid (RGO), ett tunt lager av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster. Som silver, tillsatsen av RGO hjälpte hålet att bestå genom att ta emot exciterade elektroner från TiO2. Det minskade också nanopartiklarnas bandgap, minska mängden energi som krävs för att aktivera fotokatalysatorn.

När forskarna blandade hybridnanopartiklarna med BPA-lösning under en konstgjord synlig ljuskälla, de fann att BPA oxiderade och bröts ner mycket mer effektivt än det gjorde utan katalysatorn närvarande. Vidare, RGO-Ag-TiO2-nanopartiklarna överträffade de där RGO eller Ag ensam tillsattes till TiO2, vilket tyder på att båda modifieringarna spelade en roll i den ökade katalytiska aktiviteten under synligt ljus.

Så småningom, teamet hoppas kunna använda sina resultat för att hjälpa till att bryta ner BPA och andra föroreningar i vattenförsörjningen. "Vi tror starkt att den utvecklade nanofotokatalysatorn kan vara ett av de nanomaterial som på ett hållbart sätt kan lösa problemet, sa Saravanan.