【儀表網 研發快訊】近日，四川大學輕工科學與工程學院郭俊凌教授團隊聯合電子科技大學鄧旭教授團隊與華中科技大學李巖教授團隊，在國際期刊《Nature Nanotechnology》發表了題為“Hand-powered interfacial electric-field-enhanced water disinfection system”的研究成果，并受邀撰寫Research Brief。我校輕工科學與工程學院2021級博士研究生張亞靜為論文共同一作。
圖1. 手驅動界面電場增強(IEFE)水消毒系統示意圖
隨著全球水源性疾病頻發和電力短缺問題日益嚴峻，開發無需集中供電、可現場部署的便攜式水消毒技術成為重要研究方向。現有光催化消毒體系雖具有潛力，但受限于對光照條件的高度依賴，在陰天、夜間及高濁度水體中難以實現實時、高效消毒。機械能驅動的水消毒策略(如壓電和摩擦電方法)因能夠將機械能轉化為電能并生成活性氧(ROS)，為“無電力、全天候”水消毒提供了新思路。然而，這類方法普遍存在能量耗散高、界面反應效率低、消毒速率慢等問題，難以達到世界衛生組織6-log(99.9999%)的滅菌標準。近年來，接觸電(contact electrification, CE)機制被引入固–液界面水處理，研究表明液滴與固體接觸或界面剪切可產生內建電場，從而驅動ROS在水中原位生成，建立了“機械刺激 → 界面電荷積累→ROS產生”的物理化學路徑，為便攜式無電水消毒提供理論基礎。然而，現有CE方法仍受能量耗散和界面反應效率低的限制，難以同時實現快速、高效和廣譜滅菌。因此，亟需開發能夠促進界面電荷積累、增強ROS生成并提升機械輸入與界面反應耦合效率的界面策略。
針對上述挑戰，四川大學郭俊凌教授聯合鄧旭教授及李巖教授創新性地提出了一種界面電場增強(Interfacial electric-field-enhanced, IEFE)策略，實現了納米級界面電場的精確調控，并據此開發出手搖驅動的無電力快速水消毒系統，構建了簡易、低成本且高性能的便攜式消毒裝置。該系統結合兩個關鍵因素建立并強化界面電場：一方面，氨基修飾的二氧化硅(SiO2@N)負載金納米顆粒(Au NPs)形成SiO2@NAu復合結構，可有效捕獲水中水合電子，并將其轉移至駐極體SiO2表面，使Au NPs帶負電并與正電氨基形成穩定的局部納米電場。另一方面，引入疏水性含氟基團(−F)形成SiO2@NFAu結構，顯著提高界面負電荷密度，增強界面電場強度與反應活性。該IEFE策略實現了機械輸入能量與界面反應的高效耦合，大幅提升了ROS的生成效率，使系統能夠在僅1分鐘內實現霍亂弧菌(Vibrio cholerae)6-log級(99.9999%)的快速滅活。值得一提的是，該系統不僅對細菌、真菌、病毒及寄生蟲等多種病原體表現出優異的廣譜殺滅性能，還可實現納米顆粒自發分離、避免二次污染，展現出在資源受限地區及災害應急凈水場景中的巨大應用潛力(圖1)。更重要的是，該研究提供了一種從界面電荷調控出發的催化劑設計范式，打開了摩擦發電與界面催化結合的新方向，為能量轉化與環境凈化領域的交叉研究奠定基礎。
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