【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，四川大學輕工科學與工程學院郭俊凌教授團隊聯(lián)合電子科技大學鄧旭教授團隊與華中科技大學李巖教授團隊，在國際期刊《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Research Brief。我校輕工科學與工程學院2021級博士研究生張亞靜為論文共同一作。
 

圖1. 手驅(qū)動界面電場增強(IEFE)水消毒系統(tǒng)示意圖
 

　　隨著全球水源性疾病頻發(fā)和電力短缺問題日益嚴峻，開發(fā)無需集中供電、可現(xiàn)場部署的便攜式水消毒技術成為重要研究方向。現(xiàn)有光催化消毒體系雖具有潛力，但受限于對光照條件的高度依賴，在陰天、夜間及高濁度水體中難以實現(xiàn)實時、高效消毒。機械能驅(qū)動的水消毒策略(如壓電和摩擦電方法)因能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能并生成活性氧(ROS)，為“無電力、全天候”水消毒提供了新思路。然而，這類方法普遍存在能量耗散高、界面反應效率低、消毒速率慢等問題，難以達到世界衛(wèi)生組織6-log(99.9999%)的滅菌標準。近年來，接觸電(contact electrification, CE)機制被引入固–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，從而驅(qū)動ROS在水中原位生成，建立了“機械刺激 → 界面電荷積累→ROS產(chǎn)生”的物理化學路徑，為便攜式無電水消毒提供理論基礎。然而，現(xiàn)有CE方法仍受能量耗散和界面反應效率低的限制，難以同時實現(xiàn)快速、高效和廣譜滅菌。因此，亟需開發(fā)能夠促進界面電荷積累、增強ROS生成并提升機械輸入與界面反應耦合效率的界面策略。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，四川大學郭俊凌教授聯(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增強(Interfacial electric-field-enhanced, IEFE)策略，實現(xiàn)了納米級界面電場的精確調(diào)控，并據(jù)此開發(fā)出手搖驅(qū)動的無電力快速水消毒系統(tǒng)，構建了簡易、低成本且高性能的便攜式消毒裝置。該系統(tǒng)結合兩個關鍵因素建立并強化界面電場：一方面，氨基修飾的二氧化硅(SiO2@N)負載金納米顆粒(Au NPs)形成SiO2@NAu復合結構，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帶負電并與正電氨基形成穩(wěn)定的局部納米電場。另一方面，引入疏水性含氟基團(−F)形成SiO2@NFAu結構，顯著提高界面負電荷密度，增強界面電場強度與反應活性。該IEFE策略實現(xiàn)了機械輸入能量與界面反應的高效耦合，大幅提升了ROS的生成效率，使系統(tǒng)能夠在僅1分鐘內(nèi)實現(xiàn)霍亂弧菌(Vibrio cholerae)6-log級(99.9999%)的快速滅活。值得一提的是，該系統(tǒng)不僅對細菌、真菌、病毒及寄生蟲等多種病原體表現(xiàn)出優(yōu)異的廣譜殺滅性能，還可實現(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)及災害應急凈水場景中的巨大應用潛力(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)的催化劑設計范式，打開了摩擦發(fā)電與界面催化結合的新方向，為能量轉(zhuǎn)化與環(huán)境凈化領域的交叉研究奠定基礎。