近日，四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院郭俊凌教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合電子科技大學(xué)鄧旭教授團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)李巖教授團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際期刊《Nature Nanotechnology》發(fā)表了題為“Hand-powered interfacial electric-field-enhanced water disinfection system”的研究成果，并受邀撰寫(xiě)Research Brief。我校輕工科學(xué)與工程學(xué)院2021級(jí)博士研究生張亞靜為論文共同一作。
 

圖1. 手驅(qū)動(dòng)界面電場(chǎng)增強(qiáng)(IEFE)水消毒系統(tǒng)示意圖
 

　　隨著全球水源性疾病頻發(fā)和電力短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)無(wú)需集中供電、可現(xiàn)場(chǎng)部署的便攜式水消毒技術(shù)成為重要研究方向?，F(xiàn)有光催化消毒體系雖具有潛力，但受限于對(duì)光照條件的高度依賴(lài)，在陰天、夜間及高濁度水體中難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效消毒。機(jī)械能驅(qū)動(dòng)的水消毒策略(如壓電和摩擦電方法)因能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并生成活性氧(ROS)，為“無(wú)電力、全天候”水消毒提供了新思路。然而，這類(lèi)方法普遍存在能量耗散高、界面反應(yīng)效率低、消毒速率慢等問(wèn)題，難以達(dá)到世界衛(wèi)生組織6-log(99.9999%)的滅菌標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，接觸電(contact electrification, CE)機(jī)制被引入固–液界面水處理，研究表明液滴與固體接觸或界面剪切可產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，從而驅(qū)動(dòng)ROS在水中原位生成，建立了“機(jī)械刺激 → 界面電荷積累→ROS產(chǎn)生”的物理化學(xué)路徑，為便攜式無(wú)電水消毒提供理論基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有CE方法仍受能量耗散和界面反應(yīng)效率低的限制，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速、高效和廣譜滅菌。因此，亟需開(kāi)發(fā)能夠促進(jìn)界面電荷積累、增強(qiáng)ROS生成并提升機(jī)械輸入與界面反應(yīng)耦合效率的界面策略。
 

　　針對(duì)上述挑戰(zhàn)，四川大學(xué)郭俊凌教授聯(lián)合鄧旭教授及李巖教授創(chuàng)新性地提出了一種界面電場(chǎng)增強(qiáng)(Interfacial electric-field-enhanced, IEFE)策略，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)界面電場(chǎng)的精確調(diào)控，并據(jù)此開(kāi)發(fā)出手搖驅(qū)動(dòng)的無(wú)電力快速水消毒系統(tǒng)，構(gòu)建了簡(jiǎn)易、低成本且高性能的便攜式消毒裝置。該系統(tǒng)結(jié)合兩個(gè)關(guān)鍵因素建立并強(qiáng)化界面電場(chǎng)：一方面，氨基修飾的二氧化硅(SiO2@N)負(fù)載金納米顆粒(Au NPs)形成SiO2@NAu復(fù)合結(jié)構(gòu)，可有效捕獲水中水合電子，并將其轉(zhuǎn)移至駐極體SiO2表面，使Au NPs帶負(fù)電并與正電氨基形成穩(wěn)定的局部納米電場(chǎng)。另一方面，引入疏水性含氟基團(tuán)(−F)形成SiO2@NFAu結(jié)構(gòu)，顯著提高界面負(fù)電荷密度，增強(qiáng)界面電場(chǎng)強(qiáng)度與反應(yīng)活性。該IEFE策略實(shí)現(xiàn)了機(jī)械輸入能量與界面反應(yīng)的高效耦合，大幅提升了ROS的生成效率，使系統(tǒng)能夠在僅1分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)霍亂弧菌(Vibrio cholerae)6-log級(jí)(99.9999%)的快速滅活。值得一提的是，該系統(tǒng)不僅對(duì)細(xì)菌、真菌、病毒及寄生蟲(chóng)等多種病原體表現(xiàn)出優(yōu)異的廣譜殺滅性能，還可實(shí)現(xiàn)納米顆粒自發(fā)分離、避免二次污染，展現(xiàn)出在資源受限地區(qū)及災(zāi)害應(yīng)急凈水場(chǎng)景中的巨大應(yīng)用潛力(圖1)。更重要的是，該研究提供了一種從界面電荷調(diào)控出發(fā)的催化劑設(shè)計(jì)范式，打開(kāi)了摩擦發(fā)電與界面催化結(jié)合的新方向，為能量轉(zhuǎn)化與環(huán)境凈化領(lǐng)域的交叉研究奠定基礎(chǔ)。