Small Methods: 通过加速红磷/氧化锌异质界面的电荷转移实现快速安全光控消毒

与传染病有关的致病微生物是全球人类的第二大死亡凶手,每年约有1700万受害者。具体而言,医疗器械相关感染占医院获得性感染的很大比例,在美国,医疗器械相关感染占美国所有医疗相关感染的25.6%。这些病原体,特别是细菌,可以迅速粘附在几乎所有的生物材料表面,并在恶劣的宿主环境中生存。另外,饮用水安全也是全世界迫切关注的问题,特别是在缺乏饮用水供应的发展中国家。据报道,全球有20亿人无法获得安全饮用水,26亿人几乎没有卫生的饮用水供应系统。饮用水中的病原微生物,包括细菌,真菌等,已经引发无数相关疾病。饮用水的太阳能消毒(SODIS)是全世界水消毒最重要的手段之一。然而,SODIS主要依赖于紫外线(仅占太阳光谱4%的能量),这导致缓慢而耗时的处理过程(曝光时间6-48小时)。因此,开发快速,节能,环保和低成本的策略来捕获光能实现高效和安全的消毒是非常有必要的。

纤维相RP是一种直接带隙半导体,带隙约为1.5 eV,在太阳光谱上显示出较高吸收,而ZnO是一种具有直接宽带隙(3.37 eV)的重要半导体。然而,ZnO的宽带隙限制了它对可见光的利用。此外,单组分光催化剂的光生电子和空穴易于重组,相对较低的电荷分离效率和电荷载体的快速复合导致ZnO光催化效率较低。异质结型光催化体系是克服这些缺点的有效策略,因为它可以有效地改善光激发电子-空穴分离并扩展材料对太阳光谱的吸收范围。在异质结构中,光激发的电荷载体不仅沿着每个组分的表面传输,而且还在界面处传输。其中,光激发电荷载流子在异质结构界面的有效传输对提高光催化活性起着很重要的作用。因此,通过设计异质结型光催化系统的异质界面可以实现光激发快速消毒。另外,太阳光-热转换是太阳能收集的重要部分,太阳光-热转换在太阳能热发电,水净化,海水淡化,家用热水器和相分离等方面有广泛的应用。众多新兴的光热材料,包括金,氧化石墨烯,硫化钼和黑磷已被广泛应用。然而,纤维相RP的太阳光热性质从未有过报道。此外,大多数关于光催化消毒的研究都集中在可见光谱的利用上。值得注意的是,设计协同太阳光催化和太阳光热的材料不仅可以利用可见光区域,而且可以利用近红外区域,实现对整个太阳光谱更充分的利用。

近期,天津大学吴水林教授课题组联合湖北大学刘想梅教授、北京大学郑玉峰教授和香港大学杨伟国教授针对上述问题,设计了一种RP/ZnO异质结薄膜,用于收集太阳能或LED光能,实现了快速,高效,环保,低成本,安全的消毒。RP/ZnO异质结最稳定的几何结构为RP(001)晶面和ZnO(002)晶面,在该界面区域表现出大量电荷的分布。因此,有效的界面电荷转移和高效的光生电子-空穴对分离可以极大促进活性氧(ROS)的产生,实现更高效的光催化消毒。即使通过手机的LED灯,也可以实现一定光激发的消毒效果。此外,RP/ZnO异质结还具有优异的太阳光热转换效率,通过高温导致细菌进一步致死。具体而言,该材料在光照下,5分钟对金黄色葡萄球菌的抗菌效率为99.96±0.03%,4分钟对大肠杆菌的抗菌效果为99.97±0.02%,这可归因于太阳光催化和太阳光热(2分钟内超过50℃)的协同抗菌。该平台提供了一种表面策略,可用于设计协同的光催化和光热材料,以充分收集太阳能,不仅适用于水消毒,还可用于医疗设备或手机等触摸屏的LED光消毒处理。

相关论文近期发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900048)上。

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