Advanced Materials:新型抗菌性水凝胶助力高效水源消毒和净化

饮用水不安全是发展中地区人们发病和死亡的一个主要原因。化学消毒剂(例如氯气、臭氧)被广泛应用于水源消毒,然而,一些有毒副产物(例如,三卤甲烷、卤代乙腈)和消毒水残留物可能对人类有致癌作用。基于加热煮沸的水处理方法,例如多效蒸馏,可以有效灭活微生物并去除大部分污染物,但是却需要高能耗和大型基础设施,会对发展中地区造成很大经济负担。其他物理净水技术,例如膜过滤和太阳能水蒸馏,虽然可以减少所需能源,但未净化水的生物污染加剧了这些系统的成本和维护需求。许多新型纳米材料,例如金属离子,碳基材料(如碳纳米管、石墨烯),和半导体光催化剂(如氧化钛、二硫化钼),已被证明可以用于有效水处理。但是,使用这些纳米消毒剂材料需要额外的分离和回收步骤以避免化学药剂残留,并有可能在人类和生态系统中产生有害积累。

近日,美国德州大学奥斯汀分校的余桂华教授课题组基于分子工程策略,开发了邻苯二酚和苯醌修饰的壳聚糖抗菌性水凝胶(ABH),可在室温条件下一个小时内杀灭超过99.999%的细菌,实现高效水源消毒和净化。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/ adma.202102994)上,第一作者是郭猷鸿博士。

ABH包含邻苯二酚修饰的壳聚糖网络和苯醌修饰活性炭颗粒。空气和水中的氧气会触发邻苯二酚的自发氧化,产生大量过氧化氢(H2O2)来杀灭各种细菌;同时,ABH中的苯醌可与各种生物巯基反应,以进一步增强杀菌效果。ABH可以直接作为消毒剂投入未经处理的水中,在零能耗、60分钟内实现杀死99.999%以上的枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌。消毒后,ABH药片可以很容易被捞去而不在水中留下化学杂质。此外,ABH具有很强的太阳能吸收,可以用于高效太阳能蒸馏系统,并解决太阳能蒸馏系统中生物污染这一大难题。余教授课题组对自然界中河水、小溪水和大学建筑中的废水为例,证明了ABH在细菌灭活和污水净化的功效。作为简单易用的水源消毒材料以及高效稳定的太阳能蒸发器材料,ABH利用过氧化氢和苯醌基团作为抗菌剂,将为实际生活中的大规模水处理提供巨大的潜力。

作者简介

余桂华,美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系,机械系终身教授,英国皇家化学学会会士(FRSC)和皇家物理学会会士(FInstP)。

余桂华教授课题组的研究重点是新型功能化纳米材料的合理设计和合成,尤其是对能源和环境凝胶材料的开创性研究,对其化学和物理性质的表征和探索,以及推广其在能源,环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Catalysis, Nature Sustainability, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today 等国际著名刊物上发表论文230余篇,论文引用44,000次,H-index 111。现任 ACS Materials Letters 副主编,是近二十个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委。

课题组链接:https://yugroup.me.utexas.edu

论文信息:

Molecular Engineering of Hydrogels for Rapid Water Disinfection and Sustainable Solar Vapor Generation

Youhong Guo, Christopher M. Dundas, Xingyi Zhou, Keith P. Johnston, Guihua Yu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202102994

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102994