近日，我院郭俊凌教授團隊聯(lián)合電子科技大學(xué)鄧旭教授團隊與華中科技大學(xué)李巖教授團隊在國際著名期刊《Nature Nanotechnology》發(fā)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進行專題報道。第一作者為電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院陳之迪博后、我院2021級博士研究生張亞靜及華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院2021級博士研究生呂潘靜。
圖1 手驅(qū)動界面電場增強（IEFE）水消毒系統(tǒng)示意圖
隨著全球水源性疾病頻發(fā)和電力短缺問題日益嚴峻，開發(fā)無需集中供電、可現(xiàn)場部署的便攜式水消毒技術(shù)成為重要研究方向。現(xiàn)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(xiàn)實時、高效消毒。機械能驅(qū)動的水消毒策略（如壓電和摩擦電方法）因能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)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(yīng)效率低、消毒速率慢等問題，難以達到世界衛(wèi)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(chǎn)生內(nèi)建電場，從而驅(qū)動ROS在水中原位生成，建立了“機械刺激 → 界面電荷積累 → ROS產(chǎn)生”的物理化學(xué)路徑，為便攜式無電水消毒提供理論基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有CE方法仍受能量耗散和界面反應(yīng)效率低的限制，難以同時實現(xiàn)快速、高效和廣譜滅菌。因此，亟需開發(fā)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(yīng)耦合效率的界面策略。
針對上述挑戰(zhàn)，我院郭俊凌教授聯(lián)合鄧旭教授及李巖教授創(chuàng)新性地提出了一種界面電場增強（Interfacial electric-field-enhanced, IEFE）策略，實現(xiàn)了納米級界面電場的精確調(diào)控，并據(jù)此開發(fā)出手搖驅(qū)動的無電力快速水消毒系統(tǒng)，構(gòu)建了簡易、低成本且高性能的便攜式消毒裝置。該系統(tǒng)結(jié)合兩個關(guān)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(fù)合結(jié)構(gòu)，可有效捕獲水中水合電子（
），并將其轉(zhuǎn)移至駐極體SiO2表面，使Au NPs帶負電并與正電氨基形成穩(wěn)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(jié)構(gòu)，顯著提高界面負電荷密度，增強界面電場強度與反應(yīng)活性。該IEFE策略實現(xiàn)了機械輸入能量與界面反應(yīng)的高效耦合，大幅提升了ROS的生成效率，使系統(tǒng)能夠在僅1分鐘內(nèi)實現(xiàn)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(tǒng)不僅對細菌、真菌、病毒及寄生蟲等多種病原體表現(xiàn)出優(yōu)異的廣譜殺滅性能，還可實現(xiàn)納米顆粒自發(fā)分離、避免二次污染，展現(xiàn)出在資源受限地區(qū)及災(zāi)害應(yīng)急凈水場景中的巨大應(yīng)用潛力（圖1）。更重要的是，該研究提供了一種從界面電荷調(diào)控出發(fā)的催化劑設(shè)計范式，打開了摩擦發(fā)電與界面催化結(jié)合的新方向，為能量轉(zhuǎn)化與環(huán)境凈化領(lǐng)域的交叉研究奠定基礎(chǔ)。
論文信息：
Hand-powered interfacial electric-field-enhanced water disinfection system
Zhidi Chen#, Yajing Zhang#, Panjing Lv#, Tongwei Wu, Jianing He, Jinyan Du, Qiangqiang Sun, Qianbao Wu, Jinlong Yang, Yiming Zhang, Yanning Zhang, Fei He, Chunhua Cui, Gonghua Hong, Hongyu Zhu, Yan Li*, Junling Guo* & Xu Deng*
Nature Nanotechnology, 2025, DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-025-02033-9
