近日，西北农林科技大学食品学院王建龙教授团队在《Nature Communications》上发表了题为“Spin polarization induced by atomic strain of MBene promotes the ·O2– production for groundwater disinfection”的研究论文。2019级硕士生刘兆利与2021级硕士生高文哲为论文的共同第一作者。食品学院王建龙教授、北京大学环境科学与工程学院刘文研究员、北京大学材料科学与工程学院郭少军教授和合肥工业大学食品与生物工程学院沈益忠副研究员为论文的共同通讯作者。
鉴于致病微生物可通过多种途径传播并给人类健康、食品安全、农业和工业生产以及生态环境带来严重威胁，开发一种简单、环保且高效的杀菌方法，尤其是在氧气不足的情况下对耐药菌的有效处理，已经成为全球科研人员关注的重点领域。
图1 MBene的氧气自旋禁阻消除和超氧自由基生成机制
为了应对这一挑战，王建龙教授的研究团队首次探索了通过原子级应变激活氧气的机制，并开发出一种在低氧环境中有效杀灭耐药菌的新技术。研究中采用了自旋轨道解析算法，从自旋和轨道的角度深入理解了原子级应变如何克服氧气的自旋禁阻问题。计算结果表明，这种策略导致了MBene材料的自旋极化，从而在低溶解氧条件下大幅提高了氧气活化的效率，使得光催化超氧自由基（·O2–）的产量增加了16.59倍。
图2 所研发方法在乏氧条件下对耐药菌的光催化杀灭效果
此外，研究团队还测试了新技术在实际地下水中对致病菌的杀灭效果，证明了其潜在的应用价值。实验中的光催化连续消毒系统使用MBene材料，在长达62小时的运行时间内，成功处理并产生了37.2升无菌水。相较于传统的次氯酸钠消毒剂，该系统的消毒效能提高了25倍，显示出显著的应用转化潜力。
上述研究成果得到了国家自然科学基金国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省科技创新团队和西北农林科技大学首批院级创新团队等项目的资助。
