济南大学于欣、刘宏联合西安电子科技大学王政Nano Energy：压电效应增强催化灭菌—机理和实际应用

第一作者：张晓宇，杨钟炜

通讯作者：于欣，刘宏，王政

通讯单位：济南大学，西安电子科技大学

研究速览：

济南大学于欣/刘宏教授团队和西安电子科技大学王政教授团队在Nano Energy上发表了压电效应增强催化灭菌：机理和实际应用的文章。随着科学的不断快速发展，压电效应增强的催化灭菌技术显示出巨大的潜力。本文综述了这项技术的基本原理和未来前景。压电催化通过利用应力下压电材料的电场和电位差来促进活性。压电光催化结合了光和机械应力以实现双激发，而压电纳米酶将压电效应与纳米技术相结合，以实现卓越的性能。这些机制增强了催化剂的功能，并开创了新的催化灭菌前沿。在实际应用中，压电效应调节催化技术表现出优异的性能。例如，在治疗感染的伤口时，压电材料的机械刺激显着增加了催化活性，有效地根除病原体。抗菌织物利用压电效应进行自我清洁和持久消毒，显着提高其抗菌性能。在水消毒中，压电催化产生活性氧，快速有效地消除细菌。抗菌植入物采用压电纳米酶，在体内实现持续的抗菌效果，有效防止植入物相关感染。本文还总结了压电效应增强催化灭菌材料的最新进展，并提出了未来的研究方向。随着技术的进步，压电效应增强催化灭菌在医疗和环保领域具有广阔的应用前景，有望发挥关键作用。

要点分析

要点一，研究内容：本文全面综述了压电效应增强催化杀菌技术的基本知识和应用前景。首先，作者介绍了压电效应及其相关材料的基本概念，阐明了它们在催化过程中的作用。然后，作者们分析了压电效应如何通过不同的机制调节催化性能，包括压电催化、压电光催化和压电纳米酶，以提高催化效率和选择性。在实际应用方面，压电效应调节催化技术在治疗感染伤口、抗菌织物、水消毒和抗菌植入物方面显示出广阔的前景，充分展示了其优越的实用性能。最后，本文还对未来的发展方向进行了展望，包括新型压电材料的发展、压电效应调控机制的深入研究、多功能复合材料的设计、应用技术的优化以及生物安全和环境影响的评价。随着技术的不断进步，压电效应增强催化杀菌技术有望在医疗和环保领域发挥更大的作用，为细菌感染和环境污染问题提供有效的解决方案。作者预计这项技术在未来将实现更多的突破，推动相关研究和应用的不断进步。

图文导读    

图1.压电效应增强催化灭菌的图示：机理和实际应用

图2.（a）纤锌矿结构的ZnO的原子模型。（b）通过基于溶液的方法对齐ZnO NW阵列。数值计算得出的压电势分布。（c）（i） ZnO NW（c轴，L = 1.2μm，六边形边长= 100 nm），两端有电极（100 nm长度）。压电电势和变形的三维视图：（ii）拉伸（85 nN），（iii）压缩（85 nN），（iv）扭转（60 nN），（v）拉伸（85 nN）+扭转 (60 nN)，（vi）压缩 (85 nN) + 扭转 (60 nN)。（d）在底部固定和接地的情况下，BTO NW 受侧向力应变的有限元模拟。（e）空化压力的模拟（P =10Pa）导致 BTO NW轴向变形；（f）模拟气蚀压力（P = 10⁸Pa ）导致 BTO NW 横向变形；（g）声压下的纳米颗粒（P = 10⁵ Pa）。（h） 空化压力下的纳米颗粒 （P = 10⁸ Pa） 导致 BTO NW 的横向变形;（g）（i）在空化压力（P = 10⁸ Pa）下尺寸较小的纳米粒子。         
   

图3. （a）压电极化前后的电荷分布和（b）能带结构。

图4.（a）聚四氟乙烯在US辐照下压电催化产生 ROS 的示意图。（b）1D Te 微针中原子阵列的精确定向增强了固有压电性，从而实现了高效的压电催化灭菌。（c）US激活的压电MoS₂增强了杀灭细菌的声动力。（d）BT-OHA/THM-APMH水凝胶制备及其与US触发的压电催化疗法在修复感染伤口方面的协同效应示意图。

图5.（a）TiO₂/BTO/Au纳米棒的TEM和HRTEM图像。(b) TiO₂/BTO/Au异质结构光动力性能增强的机理。（c）全光谱光下TiO₂/BTO/Ag₂O极化的PEC性能机理。（d）全光谱光照下PEC活性示意图。（e）TiO₂/BTO/Ag₂O 极化增强PEC性能的机理。（f） BiFeO₃/Ti₃C₂ 的TEM图像。（g）无压条件下BiFeO₃/Ti₃C₂的电荷密度差。黄色和绿色等值面分别代表电子积聚和耗尽。（h）ROS增强机制示意图。

图6.（a）V_v-p BiVO₄和V_v-r BiVO₄沿[001]方向的晶体结构。（b）V_v-r BiVO₄在低频US激发的压电场下的本征能带和倾斜能带。（c） UIO-66-Au NPs示意图。（d）UIO-66-Au NPs压电增强纳米酶活性的拟议机制。（e）UIO-66-Au NPs压电增强SDT的拟议机制。（f）US驱动的BTO表面电荷分布示意图。（g）H₂O₂分解过程的反应能量。（h）反应第四步的电荷密度。

图7.（a）LN/SF复合膜在反复加压和释放循环期间的压电测量示意图。（b）LN/SF纳米纤维膜对细菌的过滤效率。(c) 以LN/SF纳米纤维膜为过滤器的细菌过滤示意图。（d-f）g-C₃N₄/LN/ SF-2.0 %纤维膜进行填埋处理的照片。（g）NWs/CFF的制造和灭菌过程示意图和NWs/CFF的灭菌过程。（h）弯曲0次和300次后，样品上粘附的金黄色葡萄球菌和（i）大肠杆菌细胞的代表性SEM图像。

图8.（a）US/Ag-BTO/PS 组合系统灭活大肠杆菌的拟议机制。（b）未经处理的大肠杆菌K-12以及在US/Ag-BTO和US/Ag-BTO/PS系统中处理5分钟后的大肠杆菌的荧光显微图像和（c）扫描电镜图像。（d）BTO/Au 的TEM图像。（e）BTO/Au 压电催化剂产生自由基的示意图。（f）压电催化灭活细菌的实验装置示意图。（g）压电催化处理前后金黄色葡萄球菌的扫描电镜图像。（h）压电催化处理医院废水的示意图。（i） BTO/GDY/Au NFs光和US下的电荷转移途径及其可能的催化机制。（j）BTO/GDY/Au NFs在废水处理中的应用：连续废水处理反应器示意图。          
   

结论

压电效应与催化过程的整合为细菌控制提供了新的途径。本文全面涵盖了压电效应和压电材料的基本原理，探讨了压电模块延迟催化性能的机制。这些机制包括压电催化、压电光催化和压电纳米酶。该研究强调了这些机制在实际应用中的广泛潜力，包括治疗感染伤口、抗菌织物、水消毒和抗菌植入物。对这些应用的详细研究表明，压电陶瓷效应调制催化技术在实践中表现出出色的性能。例如，压电材料在感染部位的机械刺激显着增强了催化活性，有效消除了病原体。抗菌面料利用压电效应实现自我清洁和持久的抗菌作用。水消毒技术利用压电催化产生ROS，快速有效地根除水生细菌。抗菌植入物采用压电纳米酶在体内提供持续的抗菌效果。随着科学技术的不断发展，压电效应增强催化灭菌技术成为前景广阔的前沿领域，尤其是在医学和环境保护领域。      

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110346

参考文献：Xiaoyu Zhang, Zhongwei Yang, Jian Zhang, Longwei Wang, Min Zhou, Na Ren, Longhua Ding, Aizhu Wang, Zheng Wang, Hong Liu, Xin Yu, Piezotronic effect enhanced catalytic sterilization: Mechanisms and practical applications, Nano Energy. 2024,132, 110346.

DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.110346

投稿联系：kangjunkejiquan@163.com.