院士实时点评！清华深研院，第一单位，新发Nature Water！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-01 08:18

正文

【做计算找华算】 理论计算助攻顶刊，50000+成功案例，全职海归技术团队、正版商业软件版权！

成果简介

水传播病原体（Waterborne pathogens），特别是新出现的抗生素耐药细菌（ARB），可引起严重的传染病，对公众健康构成巨大威胁。然而，现有的水消毒技术往往不仅能源和化学密集型，而且在消除抗生素抗性基因（ARGs）方面效率低下。基于此， 清华大学深圳国际研究生院/ 北京师范大学张军特聘副研究员、 清华大学深圳国际研究生院李晓岩教授和林琳副教授、 澳门科技大学Songying Qu（共同通讯作者）等人报道了一个“化学（H ₂ O ₂ 预处理）-物理（纳米尖端电穿孔）-化学（•OH注射）”的顺序电化学过程，该过程在灭活ARB和去除ARGs方面非常有效。

细菌首先在SnO _2-x /TiO ₂ 阳极区域通过双电子水氧化产生的H ₂ O ₂ 进行预处理，以降低细菌外壁对电穿孔的防御。然后，“软化”和“弱化”的细菌很容易被Pd-Au/TiO ₂ 阴极区的电穿孔和同步注入通过三电子氧还原产生的丰富的•OH刺穿。包括核体和细胞质在内的细菌内含物被•OH氧化有效分解，导致整个细胞结构由内而外的被破坏。这种协同物理损伤和化学氧化的杀菌机制在短停留时间（~16 s）、高通量（~4.5 m ³ h ^-1 m ^-2 ）和低能耗（~42.4 Wh m ^-3 ）下连续运行15天，灭活了超过99.9999%的ARB和去除了约99%的ARGs。本工作开发了一种高效、无残留的杀菌方法，其具有协同物理损伤和化学氧化作用，有可能在水消毒领域带来革命性的进步。

相关工作以《Synergetic physical damage and chemical oxidation for highly efficient and residue-free water disinfection》为题发表在最新一期《Nature Water》上。

值得注意的是，该工作获得中国科学技术大学俞汉青院士和李文卫教授在 Nature Water 上的实时点评！

图文解读

电极合成过程，观察到的电极颜色变化初步用于监测制备过程。扫描电镜（SEM）显示，SnO _2-x /TiO ₂ 具有包含多孔Ti泡沫基、TiO ₂ 板间层和SnO _2-x 覆盖层的夹层结构。透射电镜（TEM）表明，TiO ₂ 板与SnO _2-x 之间存在紧密的晶相接触，表明存在强相互作用。对于Pd-Au/TiO ₂ ，密集的TiO ₂ 纳米锥阵列（TiO ₂ -NCs）垂直竖立在Ti泡沫表面，其高度、底部直径和顶部直径分别为~2 µm、~450 nm和~40 nm。同时，平均尺寸约为6 nm的Pd-Au合金纳米颗粒均匀而牢固地嵌埋在TiO ₂ -NCs表面上，特别是集中在高曲率纳米针尖。

图1.电极的合成和表征

电化学阻抗谱（EIS）结果表明，SnO _2-x 和Pd-Au的引入显著降低了SnO _2-x /TiO ₂ 和Pd-Au/TiO ₂ 的电阻，表明有效的电荷转移。线性扫描伏安（LSV）曲线显示，SnO _2-x /TiO ₂ 表现出最大的氧化电流，并且出现了明显的阴极位移。SnO _2-x /TiO ₂ 的Tafel斜率最低，进一步验证了最高的氧化反应动力学。检测和计算发现，SnO _2-x /TiO ₂ 的H ₂ O ₂ 产率和法拉第效率（FE）分别高达~0.70 µmol min ^-1 和~58%，远远优于许多报道的阳极材料。同时，SnO _2-x /TiO ₂ 具有优异的H ₂ O ₂ 生成活性和循环生成H ₂ O ₂ 的稳定性。

密度泛函理论（DFT）计算表明，SnO _2-x /TiO ₂ 中靠近氧空位的Sn原子的Bader电荷高达~2.380，有利于Sn-OH的牢固结合。Sn原子捕获OH ^- 并掠夺电子，其中电荷转移数高达~0.82。吉布斯自由能图表明，从*OH到*O ₂ H ₂ （2e ^- WOR）的能垒（∆G）仅为~1.2 eV，远小于从*OH到*O（4e ^- WOR）。火山图显示，SnO _2-x /TiO ₂ 依赖于2e ^- WOR的活性，进一步证实了H ₂ O ₂ 析出的高活性和选择性。

图2.电极的电化学性能分析

通过将SnO _2-x /TiO ₂ 阳极和Pd-Au/TiO ₂ 阴极集成，作者组装了一个流过式电催化过滤装置，称为阳极-阴极模式。模型病原菌，2种ARB，即耐四环素大肠杆菌（革兰氏阴性）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性），初始浓度为~10 ⁶ 菌落形成单位（CFU）ml ^-1 ，在3 V电压（~42.4 Wh m ^-3 能耗）、~16 s保留时间（~4.5 m ³ h ^-1 m ^-2 通量）和~10 µm电极孔径的阳极-阴极模式下完全灭活（>99.9999%，~6.0 log还原）。

电压过低（<3 V）难以诱导活性物质生成，引发纳米针尖电穿孔；电压过高（>3 V）容易导致严重的副反应，主要是析氧和析氢；较长的停留时间（≥16 s）和较小的电极孔径（≤10 µm）有利于增加细菌与电极或活性物质的有效碰撞。阳极模式和阴极模式的抑菌率分别仅降低~1.7 log和~5.1 log，说明阳极区域的H ₂ O ₂ 起辅助作用，阴极区域的电穿孔和ROS对细菌灭活起主要作用。阴极-阳极模式的抑菌率降低至~5.2 log，证明了H ₂ O ₂ 预处理对随后电穿孔和ROS介导的细菌有效灭活至关重要。

图3.灭活效率

图4.完全消毒性能

作者发明了一种策略，通过低浓度H ₂ O ₂ 预处理来软化和削弱外膜和肽聚糖壁。SnO _2-x /TiO ₂ 阳极产生的H ₂ O ₂ 由外向内渗透细胞膜，其中H ₂ O ₂ 与H ₂ O ₂ 分解产生的少量•OH与外膜及肽聚糖壁发生反应，并利用分子动力学（MD）模拟来定量分析。以革兰氏阴性菌为例，采用LPS和1, 2-双棕榈酰- sn -甘油-3-磷酸乙醇胺（DPPE）构建了革兰氏阴性菌的外膜模型，将摩尔比为9: 1的H ₂ O ₂ 和•OH放置在外膜附近，进行200 ns自由MD模拟。H ₂ O ₂ 和•OH在5 ns内迅速扩散到外膜表面，在~ 120 ns内穿透外膜。质量密度结果显示，大部分•OH已渗透到DPPE中，在~190 ns后，大部分H ₂ O ₂ 仍留在LPS中。结果表明，H ₂ O ₂ 倾向于与LPS接触反应，而•OH主要与DPPE接触反应。

院士实时点评！清华深研院，第一单位，新发Nature Water！

正文

请到「今天看啥」查看全文