四川大学轻工学院郭俊凌团队联合发文报道绿色低碳净水纳米技术进展

　　近日，四川大学轻工科学与工程学院郭俊凌教授团队联合电子科技大学邓旭教授团队与华中科技大学李岩教授团队，在国际期刊《Nature Nanotechnology》发表了题为“Hand-powered interfacial electric-field-enhanced water disinfection system”的研究成果，并受邀撰写Research Brief。我校轻工科学与工程学院2021级博士研究生张亚静为论文共同一作。
 

图1. 手驱动界面电场增强(IEFE)水消毒系统示意图
 

　　随着全球水源性疾病频发和电力短缺问题日益严峻，开发无需集中供电、可现场部署的便携式水消毒技术成为重要研究方向。现有光催化消毒体系虽具有潜力，但受限于对光照条件的高度依赖，在阴天、夜间及高浊度水体中难以实现实时、高效消毒。机械能驱动的水消毒策略(如压电和摩擦电方法)因能够将机械能转化为电能并生成活性氧(ROS)，为“无电力、全天候”水消毒提供了新思路。然而，这类方法普遍存在能量耗散高、界面反应效率低、消毒速率慢等问题，难以达到世界卫生组织6-log(99.9999%)的灭菌标准。近年来，接触电(contact electrification, CE)机制被引入固–液界面水处理，研究表明液滴与固体接触或界面剪切可产生内建电场，从而驱动ROS在水中原位生成，建立了“机械刺激 → 界面电荷积累→ROS产生”的物理化学路径，为便携式无电水消毒提供理论基础。然而，现有CE方法仍受能量耗散和界面反应效率低的限制，难以同时实现快速、高效和广谱灭菌。因此，亟需开发能够促进界面电荷积累、增强ROS生成并提升机械输入与界面反应耦合效率的界面策略。
 

　　针对上述挑战，四川大学郭俊凌教授联合邓旭教授及李岩教授创新性地提出了一种界面电场增强(Interfacial electric-field-enhanced, IEFE)策略，实现了纳米级界面电场的精确调控，并据此开发出手摇驱动的无电力快速水消毒系统，构建了简易、低成本且高性能的便携式消毒装置。该系统结合两个关键因素建立并强化界面电场：一方面，氨基修饰的二氧化硅(SiO2@N)负载金纳米颗粒(Au NPs)形成SiO2@NAu复合结构，可有效捕获水中水合电子，并将其转移至驻极体SiO2表面，使Au NPs带负电并与正电氨基形成稳定的局部纳米电场。另一方面，引入疏水性含氟基团(−F)形成SiO2@NFAu结构，显著提高界面负电荷密度，增强界面电场强度与反应活性。该IEFE策略实现了机械输入能量与界面反应的高效耦合，大幅提升了ROS的生成效率，使系统能够在仅1分钟内实现霍乱弧菌(Vibrio cholerae)6-log级(99.9999%)的快速灭活。值得一提的是，该系统不仅对细菌、真菌、病毒及寄生虫等多种病原体表现出优异的广谱杀灭性能，还可实现纳米颗粒自发分离、避免二次污染，展现出在资源受限地区及灾害应急净水场景中的巨大应用潜力(图1)。更重要的是，该研究提供了一种从界面电荷调控出发的催化剂设计范式，打开了摩擦发电与界面催化结合的新方向，为能量转化与环境净化领域的交叉研究奠定基础。