01
研究背景
细菌感染一直是危害着人类健康的主要致病因之一，开发高效杀菌技术是保障人类健康和生态环境的重要措施，随着研究的深入，已有开发出了许多杀菌技术，如光催化杀菌、电催化杀菌和压电催化杀菌等，其中压电催化杀菌因具有可通过环境能量 (如水流、潮汐、风能、摩擦) 引发、可在暗环境、高/低盐度等条件下应用和不引入氧化剂等特点而得到了研究人员的关注，压电催化杀菌主要是在正压电效应的基础实现的，其原理是压电材料在外力 (如超声波、搅拌、震动) 作用下发生形变，内部晶格结构产生非对称的电荷分布，得到表面极化电荷从而形成局部内置电场 (压电势)，驱动电子-空穴对分离并迁移至材料表面，在水体环境中，这些表面的电子和空穴分别与溶解氧和水分子反应，生成活性氧 (ROS)，如羟基自由基 (•OH)、超氧自由基 (O2-) 、过氧化氢 (H2O2)， 等等。ROS 具有极强的氧化能力，可以通过破坏细胞壁/细胞膜和损伤细胞内核酸/蛋白质等方式实现杀菌和抑制细菌繁殖的目的。压电催化杀菌具有操作简单、无二次污染和高效率等优点，在绿色、节能杀菌应用中具有可观的前景。
02
综述内容
近日，加州大学陈少伟教授团队和青岛科技大学孟凡庆团队合作总结了压电催化技术的基本原理，压电催化杀菌应用的原理，以及压电催化技术在杀菌领域应用的最新进展。按照压电材料的类型系统地综述了包括传统压电陶瓷、新型过渡金属硫化物、氧化锌和压电聚合物等在压电催化杀菌中的研究进展，分别对上述材料的压电效应、杀菌效率与机制和优缺点行了分析与讨论，最后对压电催化杀菌领域的研究进行了简要总结，并对未来的该领域的发展进行了展望。
内容一：压电催化杀菌机理
目前，尽管压电机制的细节仍不清楚，但通常使用两种主要理论来解释压电特性，即屏蔽电荷效应理论和能带理论。屏蔽电荷效应是指在施加电场的作用下，压电材料中的电子云发生重排，导致电荷被屏蔽或重新分布。如图1 (a-d) 所示，在施加外电场后，材料内部的电子云可以部分屏蔽外电场，从而减弱或增强外电场的影响。这取决于材料的电导率、介电常数、电子迁移率等。屏蔽电荷效应有助于优化压电材料的设计，定制具有特定压电性能的材料。可以看出，该理论主要适用于内部电荷载体丰富的材料。能带理论是固体物理学中描述和解释固体材料电子能量结构和电导率的理论框架。如图 1e 所示，能带由电子允许具有的一定能量范围组成，其中填充的能带称为价带 (VB)，未填充的能带称为导带 (CB)。这两个能带之间的能量差为能隙 (Eg)，能隙的大小决定了材料的电导率。能带理论基于布洛赫定理，该定理指出，在周期性势场中，电子的波函数可以表示为平面波与周期函数的乘积。当压电材料受到外界压力或应变时，其晶格结构可能会发生轻微扭曲或变形。这会使电子波函数发生偏移，导致正负电荷分离，在晶体内部形成宏观电偶极矩，从而产生压电效应。
这两种理论并不互相排斥。在实践中，它们可能共同决定压电性能和压电催化性能。基于上述原理，压电催化抗菌疗法依靠机械刺激来引发一系列化学和生物反应。如图 1f 所示，羟基自由基 (•OH)、超氧自由基 (O2-) 和过氧化氢 (H2O2) 等 ROS 通过破坏细菌细胞膜或穿透细胞引起氧化应激来发挥抗菌作用，从而导致细胞功能障碍并最终死亡。这些活性物质对于破坏细菌结构完整性和代谢活动至关重要，而这正是抗菌机制的基础。
图1 (a) 极化压电材料的静电平衡初始状态；(b) 材料受到压缩应变时，屏蔽电荷释放产生 ROS；(c) 结合电荷最小化后新的静电平衡状态；(d) 压缩应变减小时从电解质中吸附电荷并引发；(e) 压电催化机理的能带理论示意图；(f) 压电催化杀菌过程示意图。
内容二：压电催化材料的类型
非中心对称结构的材料对于表现出压电特性至关重要，在32种晶型点群中，有20种晶体为非中心对称的点群具有压电效应，这些 非中心对称晶体又可以分为压电材料、热释电材料、铁电材料和非线性光学材料四类材料。其中压电材料只能通过外部机械力极化才能够产生极化从而产生压电效应，其中，压电材料的独特之处在于它们在外部机械力的作用下能够极化这些材料可以进一步分为几个子类别，包括压电陶瓷、过渡金属二硫化物、压电聚合物和其他复合压电材料等。例如 ZnO (Fig. 2a)、BaTiO3 (Fig. 2b) 等材料的压电极化可以为电子-空穴对的有效分离提供远程驱动力，它们在空间中反向传输导致正负电荷中心发生位移，形成内部电场，从而产生大量电子和空穴在催化剂表面聚集，从而为后续的压电催化反应提供原动力。
图2 压电催化材料的分类在机械振动下产生活性氧物种的机制示意图: (a)ZnO，(b)BaTiO3。
内容三：压电催化技术在杀菌方面的应用
目前压电催化杀菌的研究还并未系统化，其杀菌机制也有待进一步阐明。如图 3a 所示，Wei 等人在 BaTiO3 中原位掺杂铈制备了复合空心纳米粒子 (hBTCe)，通过压电性能表征和模拟计算发现，掺杂铈后 BaTiO3 的压电响应从 0.13 V 显著增强到 0.91 V，在超声作用下 hBTCe 材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌效率均为90%以上，同时他们还对可能的压电催化杀菌机理进行了研究，如图 3b 所示，hBTCe 复合空心球在超声波作用下发生极化，产生偶极子形成压电势并诱导产生 e– 和 h+。压电诱导的产生的 e– 能够与溶解氧 O2 反应生成 •O2− 等自由基，h+ 则可以与 H2O 反应生成 •OH 等自由基，这些活性物种 (•O2− 与 •OH) 能够破坏细菌的细胞壁/细胞膜来抑制细菌的生长，从而达到杀菌的目的。
图3 (a) BaTiO3 (BT) 和 hBTCe 纳米粒子的压电催化活性。(b) hBTCe 纳米粒子的制备过程和抗菌机理示意图。
由于单一压电材料的压电催化效率有限，研究人员也采用掺杂、复合等策略来强化材料的压电催化杀菌效率。例如，Banerjee 等人通过耦合强化策略制备了 ZnO/壳聚糖纳米复合材料 (ZnO/CHS) 并对其压电催化杀菌性能进行研究。如图 4a 所示，在超声波作用下，ZnO/CHS 表现出优异的抗菌活性，超声波处理 20 分钟后，对粪肠球菌 (E. faecalis) 的去除率达到 96%，对大肠杆菌的去除率为 98%。并通过自由基和淬灭实验等证明了 ZnO/CHS 复合材料在超声波作用下能够快速生成 ROS 与细菌发生作用，通过对反应前后菌种的 SEM 图像 (图 4b-d) 进行比对后发现，纳米复合材料在超声波振动下会导致细菌细胞穿孔和严重变形，从而导致膜破裂，达到高效杀菌的效果。
图4 (a) ZnO/CHS 在超声作用下的杀菌效果照片。粪肠球菌处理后的 SEM 图像 (b) 空白组，(c) 仅超声处理，(d) ZnO/CHS 复合超声处理。
03
总结展望
压电催化材料在机械力的作用下产生的高氧化性的活性物种可以高效杀菌，压电催化法已被证明是一种绿色、高效的杀菌技术，且具备节能和环境友好的优势。此外，通过将压电催化与其他高级氧化技术耦合，可以进一步提高杀菌效率。然而，目前压电材料的压电效率和机械能转化率仍然较低，同时存在成型、稳定性和回收利用方面的局限性，使得压电催化法在实际应用中仍面临诸多挑战。因此，深入研究压电催化材料的设计、性能优化以及应用策略成为推动这一技术从实验室走向实际应用的关键，科学界需要持续的投入与创新来促进这一研究领域的发展和成熟。
04
论文信息
Piezoelectric catalysis for antibacterial applications
Fanqing Meng, Chenxi Guo, Tianchen Cui, Mingyang Xu, Xiaxia Chen, Hongwei Xu, Chao Liu and Shaowei Chen
Mater. Chem. Front., 2025, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4QM00848K
*文中图片皆来源上述文章
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05
通讯作者简介
陈少伟 教授
加州大学圣克鲁斯分校
陈少伟，加州大学圣克鲁斯分校教授，UCSC COSMOS 项目主任，科睿唯安“全球高被引科学家”，曾获美国国家科学基金会 CAREER 奖、研究公司 Cottrell 学者奖、国际电化学学会 Tajima 奖等。主要从事纳米功能材料及其电子传输化学方面的研究，发表 SCI 论文460余篇，被引35000多次，H 指数98。
孟凡庆 副教授
青岛科技大学
青岛科技大学，副教授，主要从事无机催化功能材料的设计及其在水处理和能量转化方面的研究。以第一/通讯作者发表 SCI 论文40余篇，高被引论文2篇，H 指数22。授权国家发明专利9项、国际发明专利2项。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后基金面上项目、山东省基金青创团队项目等5项，主持企业委托项目2项。指导学生参加“互联网+”和“挑战杯”项目并获全国铜奖1项、山东省金奖3项，全国生命科学竞赛特等奖、一等奖等10余项。
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