第一作者：Tong Wu

通讯作者：崔屹

通讯单位：斯坦福大学

研究速览：

    斯坦福大学崔屹院士及其团队在nature water上发表了太阳能驱动的高效异构亚微米水消毒纳米系统与指纹MoS₂的组装的文章。世界上大约30%的人口仍然无法获得安全的饮用水，60%的人无法获得安全管理的卫生服务。水传播疾病每年造成200万人死亡，而大多数水传播疾病发生在5岁以下、3-6岁以下的儿童中。因此，消毒对生活用水的安全是非常重要和不可缺少的。目前，主要消毒技术可分为三大类：生物（例如噬菌体）、物理（例如过滤、微波、高温、等离子体、紫外线（UV）光照射和电穿孔技术）和化学（例如高锰酸钾、卤化物剂、臭氧、纳米银颗粒和氧化钛）策略。除紫外线技术外的物理/生物方法由于能耗高或消毒时间长，因此未广泛用于大规模水处理。紫外线和化学方法一直是这方面的主流方法。化学消毒可分为均质和异质系统。均相系统主要利用分子/离子尺度的有效碰撞作为实现高速消毒的优势。然而，它们不可避免地存在产生有毒残留物和消毒副产物的二次污染风险。异质系统相对容易分离并避免毒性风险。它们的效率通常比均相系统低几个数量级，因为它们的接触活性位点数量少，活性产物（如 ROS）的浓度不够高。以低成本且无二次污染获得与均质消毒器相当的高效率是一项巨大的挑战。

要点分析

要点一，研究内容：本文通过双面指纹多级组装合成了可见光超快水消毒一体化系统，同时实现了由活性位点的光生电子/空穴和ROS触发的超高效转化、扩散和生物破坏，以及消毒系统的快速收集和吸附。作者使用Al₂O₃纳米薄片作为底色剂，分别由于它们的尺寸和透光率而实现了良好的分散和照明效果。垂直排列的硫化钼（v-MoS₂）具有广泛的可见光吸收能力，作为光催化消毒的催化剂生长在Al₂O₃纳米薄片的表面。铜颗粒与v-MoS₂形成肖特基接合，以加速电子-空穴分离。通过静电吸附将磁性氧化铁颗粒涂覆在催化剂表面，以便催化剂在使用后可以被磁铁收集。在自然阳光照射下，作者的多特征结构设计在1min的极短时间内对 5.7 log菌落形成单位（CFU）cm-1大肠杆菌表现出高灭活效率，这将促进水消毒的革命性变化。

图文导读    

图1.（Al₂O₃ @v-MoS₂）/ Cu/Fe₃O₄的合成消毒操作示意图。（a）（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu/Fe₃O₄的逐步合成。制备方法包括表面吸附、化学气相沉积、种植和电荷中和。（b）阳光光催化ROS方案。黄色光晕表示有效的ROS覆盖率。在阳光下，MoS₂的上边缘可以释放电子，获得超氧化物、羟基自由基和过氧化氢。光生空穴可以扩散到MoS₂底部附近的边缘。通过与产生的超氧自由基复合，发生电子转移，超氧自由基被氧化成单线态氧。所有这些ROS都可以破坏细菌的细胞膜并迅速杀死它们。（c）水消毒循环利用的示意图（1、分散；2、辐照；3、收集）。

图2. Al₂O₃ @v-MoS₂和（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu的表征。（a）SEM（i和ii）和TEM（iii 和iv）图像显示了（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu 的形态和二级结构。红色框表示放大的单个区域（ii）或区域（iii，iv）。（b）（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu。（c）Al₂O₃ @v-MoS₂的紫外-可见吸收光谱。Al₂O₃ @v-MoS₂的截止波长约为750 nm，而Al₂O₃没有吸收（P = 1.5×10^-3 mg l^-1）。（d）水平MoS₂和Al₂O₃ @v-MoS₂的拉曼光谱。          
   

图3.（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu 系统的消毒性能和原理。（a）Al₂O₃ @v-MoS₂在暗/亮场中的消毒性能比较和空白大肠杆菌在亮场中的消毒性能比较，表明基于Al₂O₃ @v-MoS₂ 的纳米清除剂的消毒是一种光驱动的催化反应过程。（b）（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu在暗/光下的消毒性能比较，显示镀铜后与Cu²⁺在光场中的消毒效果较好，以证明抗菌效果较低。插图显示ICPMS消毒过程中 Cu²⁺释放。（c）TiO₂纳米颗粒的消毒性能比较。（d）消毒前后低速分离的溶液样品（大肠杆菌）的SEM图像。消毒后，细胞膜严重受损，如红色圆圈所示。（e）双相结构（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu 的光催化示意图，CB表示导带，VB表示价带。

图4.（Al₂O₃ @v-MoS₂）/ Cu/Fe₃O₄的可回收亚分钟阳光消毒。（a）磁性分离实验显示了通过分光光度法数据计算的分离时间随分离时间的变化，上清液中的相对浓度变化。磁分离和自然沉降的比较。（b）（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu和（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu/Fe₃O₄ 在不同光源下的消毒性能比较。（c）多循环系统的图示。（d）证明（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu/Fe₃O₄稳定性的环系。（e）使用大肠杆菌对（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu/Fe₃O₄与文献中报道的其他光催化剂的消毒性能比较。

                                                               结论

在这项工作中，制备并部署了基于 Al₂O₃ @v-MoS₂的磁性光响应纳米清除剂，该清除剂可以在真实阳光下充分收集紫外线和可见光，用于水循环消毒。使用2D垂直排列的MoS₂薄膜可以缩小带隙并将其吸收截止扩展到800 nm，以便在光催化消毒过程中充分利用太阳能。在此过程中可以检测到四种能强烈破坏细菌细胞外肽聚糖层的ROS。电镀Cu粒子降低了电子逃逸的能垒以加速电子传输。照射3分钟后，（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu显示细菌浓度的5.7 log失活。使用电荷吸引反应，磁性颗粒可以很容易地在（Al2 O3 @v-MoS₂）/Cu 表面上进行改性，从而可以通过磁体收集催化剂。这种最终材料（Al₂O₃ @v-MoS₂）/Cu/ Fe₃O₄不仅在真实阳光照射下在60秒内实现了超过5.7 log₁₀ CFU ml^-1大肠杆菌的彻底灭活，而且在重复使用后也表现出卓越的稳定性。作者相信，作者的催化剂设计代表了最先进的光消毒技术，并将激发这一令人兴奋的跨学科领域的更多创新。

全文链接：https://doi.org/10.1038/s44221-023-00079-4

参考文献：Tong Wu, Bofei Liu, Chong Liu , Jiayu Wan, Ankun Yang , Kai Liu, Feifei Shi , Jie Zhao, Zhiyi Lu, Guangxu Chen , Allen Pei, Harold Y. Hwang,Yi Cui , Solar-driven efficient heterogeneous subminute water disinfection nanosystem assembled with fingerprint MoS_2, nature water.

DOI: 10.1038/s44221-023-00079-4

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