Unlocking the Potential of WO3-Based Photoanodes: Photoelectrocatalytic Inactivation of Bacteria and Viruses under UV-A LED Irradiation

Abstract

La competencia por el agua limpia a nivel mundial es motivo de creciente preocupación debido al aumento de la población que requiere agua directamente para la hidratación y saneamiento, e indirectamente para la agricultura y el uso industrial. El calentamiento global y el cambio climático están reduciendo las reservas de agua limpia y provocando la necesidad de encontrar métodos para limpiar el agua para su reutilización. Las técnicas tradicionales de tratamiento de aguas residuales, como la cloración, están demostrando ser ineficaces en la eliminación de algunos microorganismos del agua para llevarla a un nivel seguro para su reutilización. Incluso técnicas más innovadoras, como la desinfección UVC de corrientes de agua, han demostrado ser ineficaces debido a los mecanismos de reparación en algunos microorganismos y a la absorción de fotones por otros materiales orgánicos presentes en el agua. Los procesos de oxidación avanzada son un grupo de tecnologías de tratamiento de agua que utilizan especies químicas altamente reactivas, como los radicales hidroxilo (OH·) y superóxido (O2·- ), para tratar contaminantes especialmente resistentes en el agua. Un método para generar estas especies altamente reactivas es mediante la fotocatálisis semiconductor. La fotocatálisis es el proceso por el cual un material absorbe luz para facilitar reacciones químicas mediante la promoción de un electrón a la banda de conducción de un semiconductor para crear un par electrón-hueco. Con fotocatalizadores como el TiO2, los electrones en la banda de conducción reaccionan con el oxígeno para crear O2·- y los huecos reaccionan con el agua para crear OH·. La fotocatálisis se ha demostrado ampliamente en la literatura como un método útil para la oxidación de contaminantes en el agua, como tintes, productos farmacéuticos, bacterias y virus. Sin embargo, la fotocatálisis tiene algunas 17 desventajas, como la recombinación de los pares electrón-hueco antes de formar especies reactivas de oxígeno, la mala adsorción de fotones en el espectro solar con materiales como el TiO2 y el ZnO, y la cinética de reacción lenta en comparación con otros métodos de tratamiento. Existen métodos para superar las limitaciones de los fotocatalizadores, como la nanoestructuración, las heterojunciones, la fotoelectrocatalisis y la tecnología de LED UV. La nanoestructuración de los materiales fotocatalíticos aumenta las longitudes de difusión de carga para reducir la recombinación y aumentar el área superficial activa del fotocatalizador. Las heterojunciones, en particular las heterojunciones de tipo II, como WO3/BiVO4 con alineación escalonada de la banda prohibida, inducen una curvatura de banda entre los fotocatalizadores que impulsa la transferencia de electrones y huecos en direcciones opuestas, reduciendo así la recombinación. Además, las heterojunciones pueden aumentar el rango de fotones que pueden ser absorbidos por un fotocatalizador. Incorporar un circuito externo en el sistema fotocatalítico también ofrece un método para reducir la recombinación al mover los electrones a través del circuito hacia el contraelectrodo. Los avances recientes en la tecnología de LED UV han visto vidas útiles mucho más largas, mayores salidas de energía, mayores eficiencias energéticas y longitudes de onda altamente ajustables, lo que los convierte en una alternativa viable a la irradiación solar para impulsar los procesos fotocatalíticos. Publicaciones recientes que utilizan fotoánodos de WO3/BiVO4 en un sistema fotoelectrocatalítico para aplicaciones de división del agua han proporcionado altas densidades de corriente fotocatalítica y eficiencias de fotones incidentes a corriente. Dado que la oxidación del agua es la reacción que crea ROS (especies reactivas de oxígeno) para la oxidación de contaminantes, este material en un sistema fotoelectrocatalítico es un candidato robusto para el tratamiento de efluentes de aguas residuales.