转自：环境催化
本篇文章是发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的一篇关于电化学水消毒系统的研究论文。该研究由来自中国青岛科技大学、浙江海洋大学、日本早稻田大学、澳大利亚昆士兰大学和韩国庆熙大学等多个研究机构的科学家共同完成。文章的主要贡献是开发了一种新型的电化学水消毒系统，该系统利用原子精确的Ag28纳米簇（NCs）作为电极材料，实现了高效、无残留的活性氧（ROS）的生成和细菌捕获，从而提供了一种高效、持久、多功能、可扩展且能源效率高的水消毒方法。
研究背景与重要性
全球有36亿人面临安全饮用水短缺的问题，预计到2050年这一数字将增至57亿。传统的水消毒技术，如氯化、紫外线（UV）照射和臭氧化，存在致癌残留物或处理效率低下的问题。因此，开发无残留且高效的水消毒技术变得迫切需要。氢过氧化物（H2O2）和活性氧（ROS）作为无残留、广谱消毒剂因其强氧化能力而被广泛使用，但直接使用预制的H2O2存在不便和效率低下的问题。因此，通过电化学或光化学系统原位产生ROS成为一种替代方案，其中电催化途径因光在水体中穿透性差和光催化动力学相对较慢而更为有利。
研究内容与发现
研究团队提出了一种电容充电诱导的电化学水消毒（CEWD）系统，使用原子精确的Ag28(GSH)20 NCs作为电极材料。这些NCs被锁定在金属-有机框架（MOF）ZIF-67中，不仅提高了Ag28(GSH)20 NCs的稳定性，还提供了足够的电吸附位点，确保了通过原位电催化产生ROS和Ag28(GSH)20 NCs的固有抗菌活性实现高效双模式微生物杀灭。此外，系统设计使得能够在阳极材料表面高效捕获水体中的微生物，创建了ROS和微生物的高局部浓度，以及与抗菌电极的额外接触，以杀灭微生物。
实验结果表明，该水消毒系统对广谱微生物（抗菌活性>99.99%）高效，超稳定（40个循环后性能仅下降0.75%），耐用（连续运行5小时以上，抗菌效率为99.90%），多功能（即可使用其他NCs），可扩展（水产量为213.33 L h−1m−2），能源效率（能耗低，为4.91 Wh m−3；不包括泵送成本为1.04 Wh m−3）且适用于各种真实水样。这项研究可能为全球水消毒技术开辟新途径。
材料表征
研究人员首先通过紫外-可见吸收光谱（UV-vis）、电喷雾电离质谱（ESI-MS）和透射电子显微镜（TEM）对Ag28(GSH)20 NCs进行了表征。结果表明，Ag28(GSH)20 NCs具有分子般的光学吸收特性，且尺寸约为1.1纳米。通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和TEM进一步确认了Ag28(GSH)20 NCs均匀嵌入ZIF-67中，且Ag和S在ZIF-67中均匀分布。
消毒效果评估
研究人员将Ag NCs@ZIF-67组装成CEWD系统的阳极，并与表面负载ZIF-67@Ag NCs进行了比较。实验结果表明，Ag NCs@ZIF-67基CEWD系统对三种微生物（大肠杆菌、枯草杆菌和白色念珠菌）显示出极高的抗菌活性，杀伤率在99.99%至99.9999%之间。这些抗菌活性比ZIF-67@Ag NCs基CEWD系统高1.86至2.2个数量级。此外，Ag NCs@ZIF-67基CEWD系统在40个循环后抗菌比率仅下降0.75%，显示出优异的循环稳定性。
抗菌机制
Ag NCs@ZIF-67基CEWD系统的卓越水消毒性能需要进一步研究其抗菌机制。研究表明，Ag28(GSH)20 NCs在CEWD系统阳极首先电催化原位生成丰富的ROS，形成用于微生物杀灭的ROS层。这些ROS对微生物（如细菌和真菌）具有高度毒性，触发其有效消除。实验发现，这些ROS主要在CEWD系统的阳极产生，其中大部分是H2O2（244.83 μM）和少量羟基自由基（•OH, 3.39 µM）。尽管产生的•OH比H2O2少，但•OH的抗菌活性是H2O2的10^8倍，在杀灭细菌和真菌中起关键作用。
实际应用
研究人员还评估了Ag NCs@ZIF-67基CEWD系统的可扩展性和适用性。他们通过增加电极尺寸和测试不同流速下的消毒率来研究CEWD模块的流速容忍度。结果表明，尽管所有电极尺寸的消毒率随流速增加而降低，但最大的模块（电极尺寸为281.25 cm2）即使在100 mL min−1的流速下仍保持99.90%的高消毒率。此外，水产量随模块尺寸增加而呈指数增长，281.25 cm2模块的水产量达到213.33 L h−1 m−2。研究人员还分析了不同模块尺寸下水量产量和能耗之间的关系，发现随着产量的增加，能耗呈指数下降。尺寸为×5的模块能耗为4.91 Wh m−3（不包括泵送成本为1.04 Wh m−3），相应的水产量为213.33 L h−1 m−2，显示出其出色的能源效率。
结论
综上所述，这项研究设计了一种新型的CEWD系统，通过将原位ROS产生和Ag28(GSH)20 NCs的固有抗菌活性与智能微生物捕获相结合，实现了对广谱微生物的高效（>99.99%抗菌率）、超稳定（40个循环后效率仅下降0.75%）、耐用（连续运行5小时以上，抗菌效率为99.90%）、多功能（即可使用其他NCs）、可扩展（水产量为213.33 L h m−2）和能源效率高（能耗低，为4.91 Wh m−3；不包括泵送成本为1.04 Wh m−3）的水消毒。这项研究为全球水卫生提供了新的可能性，并且可能对无法建造大型水处理厂的分散地区具有重要意义，对于确保水安全至关重要。
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53174-9
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