科学家发现利用多重结构设计提升水消毒效率的新方法！
文摘
2024-11-20 07:31
青海
【研究背景】
水是人类生活的基本需求，然而，全球约30%的人口无法获得安全的饮用水，60%的人缺乏安全管理的卫生设施。水传播疾病每年导致200万人死亡，其中大部分为5岁以下的儿童。因此，消毒技术在家庭饮水安全中显得尤为重要。当前，水消毒技术主要分为生物、物理和化学三大类。其中，物理和生物方法因能耗高或消毒时间长，未能广泛应用于大规模水处理。化学消毒已成为主流，然而，其均匀体系存在二次污染的风险。针对这些问题，科学家们开展了多项研究，探讨了异质催化消毒技术的应用。异质催化消毒主要包括光催化、电催化和热催化。光催化作为一种前景广阔的消毒方法，通过产生高活性氧化物质来攻击细菌细胞壁和DNA，达到灭活效果。尽管已有研究采用TiO₂等催化剂产生反应性氧种（ROS）进行消毒，但由于其对太阳能的利用率低，研究逐渐转向可见光催化剂，如氮掺杂TiO₂和石墨相氮化碳等。研究表明，石墨相氮化碳在二维结构中的消毒性能显著优于块体结构，但仍需较长的反应时间。针对以上挑战，斯坦福大学Yi Cui（崔屹）院士团队提出了一种可见光超快速水消毒一体化系统，通过双面指纹多层组装实现了高效的催化转化和生物破坏，并且能迅速收集和回收催化剂。该系统利用了铝氧化物纳米片作为基底，结合垂直排列的钼硫化物催化剂和铜颗粒，显著提高了消毒效率，并在自然阳光照射下实现了对大肠杆菌的快速灭活。这一创新技术为水消毒领域带来了革命性变革。![]()
【图文解读】
1.实验首次合成了一种可见光超快速水消毒集成系统，该系统通过双面指纹多级组装技术实现了光生电子/空穴与活性位点产生的高效转化、扩散和生物破坏。2.实验通过在Al₂O₃纳米片表面生长垂直排列的二硫化钼（v-MoS₂）作为光催化消毒催化剂，结合铜颗粒形成的肖特基结，加速了电子-空穴分离，提高了消毒效率。此外，磁性氧化铁颗粒通过静电吸附涂覆在催化剂表面，使得使用后催化剂能够通过磁力进行收集。研究结果表明，在自然阳光照射下，该系统对5.7 log CFU/cm²的大肠杆菌的灭活效率在短短1分钟内达到了显著水平，展示了其在水消毒领域的革命性潜力。3.该系统在提高可见光吸收、大量与细菌接触和催化剂回收能力等方面表现出色，满足了水消毒的化学、物理和技术需求，为水消毒技术的发展提供了新思路和新方法。![]()
图1. (Al2O3@v-MoS2)/Cu/Fe3O4的合成及消毒操作原理图![]()
图2. Al2O3@v-MoS2和(Al2O3@v-MoS2)/Cu的性质分析![]()
图3. (Al2O3@v-MoS2)/Cu系统的消毒性能和工作原理![]()
图4. (Al2O3@v-MoS2)/Cu/Fe3O4可回收的光催化消毒本研究通过合成基于Al₂O₃@v-MoS₂的磁性光响应纳米清道夫，展示了光催化消毒技术在水处理领域的巨大潜力。该系统利用二维材料的优异特性，不仅能有效吸收紫外光和可见光，还能在真实阳光下实现对大肠杆菌的快速灭活，显著提高了水消毒的效率。这一研究启示我们，传统的水处理技术在面对日益严峻的水污染问题时，亟需借助新材料和新技术的结合来实现突破。尤其是在可再生能源利用方面，通过设计具备多重功能的复合材料，可以同时满足高效能和环境友好的需求。此外，磁性颗粒的使用，不仅提高了催化剂的回收率，还为废水处理提供了更便捷的解决方案。这一成果强调了跨学科合作的重要性，尤其是在材料科学、环境科学和生物学等领域的结合，能够激发更多创新的技术和解决方案，为全球水资源的可持续管理提供新的视角和思路。未来，类似的技术发展将可能改变我们处理水资源的方式，推动更绿色的水处理技术的应用与推广。原文详情：Wu, T., Liu, B., Liu, C.et al. Solar-driven efficient heterogeneous subminute water disinfection nanosystem assembled with fingerprint MoS2. Nat Water 1, 462–470 (2023). https://doi.org/10.1038/s44221-023-00079-4
