{首页主词},&

中國科學院海洋研究所JMST綜述：光催化抗菌與防污性能研究進展

2025-05-16 16:57:52 作者：張鑫來源：材料科學和技術分享至：

第一作者：張鑫

通訊作者：張瑞永、段繼周

通訊單位：中國科學院海洋研究所

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.04.052

全文速覽

光催化抗菌防污技術作為一種綠色環保、高效的微生物污染防控手段，近年來受到了廣泛關注。本文綜述了光催化抗菌防污的原理，包括光誘導電荷載流子轉移、主要活性氧（ROS）種類以及光催化劑與微生物之間的相互作用。同時，總結了氧化應激、光熱、壓電和摩擦電效應等實現多模式協同抗菌防污，以及不同類型的半導體光催化劑（如TiO₂、ZnO、CeO₂等）在光催化抗菌防污活性方面的研究進展。此外，還提出了提升光催化抗菌防污技術實際應用性能的策略，討論了該技術面臨的挑戰和未來發展方向。

研究背景

細菌污染和海洋生物污損是全球性問題，嚴重影響經濟、環境和人類健康。在海洋工業中，生物污損會導致船舶燃油消耗增加、工程結構損壞及核電站排水管堵塞等問題，造成巨大經濟損失。同時，微生物污染還可能引發疾病傳播，威脅人類健康。傳統防控措施雖有一定效果，但存在成本高、效果有限、易導致細菌耐藥性及二次污染等問題。

光催化技術因其環境友好、廣譜抗菌、高效且可再生等優點，展現出巨大應用潛力。光催化抗菌防污通過光催化劑在光照下產生光生電子和空穴，進而產生活性氧（ROS），破壞微生物細胞膜和DNA，實現抗菌效果。與傳統方法相比，光催化抗菌防污技術僅需太陽能，無額外能源輸入，成本低且可持續；不產生有害化學殘留，對環境友好；具有廣譜性，可殺滅多種微生物。因此，光催化抗菌防污技術是一種極具發展前景的綠色防控技術，在海洋防污、醫療消毒、食品保鮮和污水處理等領域應用前景廣闊。

本文亮點

本文全面總結了光催化抗菌防污技術的最新研究進展，詳細闡述了光催化抗菌防污的多種機制，如氧化應激、光熱效應、壓電場效應和摩擦電場效應等。對不同類型半導體光催化劑的抗菌性能和改性策略進行了系統歸納，為設計新型高效光催化抗菌材料提供了理論依據。此外，本文還深入分析了光催化抗菌防污技術在實際應用中面臨的挑戰，如光催化劑的穩定性、回收利用以及對不同微生物的抗菌效率等問題，并對未來的發展方向進行了展望。

圖文解析

圖1 光催化抗菌機制示意圖：ROS攻擊細胞膜并破壞DNA。

圖2 光熱抗菌機制示意圖：基于光動力（PDT）與光熱（PTT）協同作用的抗菌治療。

圖3 壓電光催化抗菌示意圖：壓電光催化效應用于細菌的直接機械破壞。

圖4 摩擦電催化抗菌示意圖：壓電場效應和PDT聯合抗菌。

總結與展望

光催化抗菌防污技術的研究仍處于發展階段，未來該領域面臨的挑戰與前景如下：

（1）光催化劑的穩定性和回收利用是實際應用中的關鍵問題，需要開發更穩定、易于回收的光催化劑載體或固定化方法。

（2）深入理解光催化抗菌的機制，特別是光催化劑與微生物之間的相互作用，以及不同因素對抗菌效率的影響，對于優化光催化劑的設計至關重要。

（3）開發新型光催化抗菌材料和復合體系，提高光催化劑的可見光響應能力和量子效率，以實現更高效的太陽能利用。

（4）探索光催化抗菌技術在不同環境和應用場景中的適應性和效果，如海洋防污、醫療消毒、食品保鮮等領域，推動該技術的廣泛應用。

作者介紹

張鑫，中國科學院海洋研究所特別研究助理。主要從事海洋催化防污方面的相關研究。累計發表SCI論文20余篇；主持國家資助博士后研究人員計劃、中國博士后科學基金特別資助、山東省博士后創新人才支持計劃等項目。

張瑞永，中國科學院海洋研究所研究員，博士生導師，國家級青年人才，入選首屆“海洋強國青年科學家”，任中國海洋湖沼學會海洋腐蝕與污損專業委員會秘書長、中南大學兼職教授，于2020年回國，加入中國科學院海洋研究所侯保榮院士和段繼周研究員團隊，開展海洋微生物腐蝕與防護研究。依托團隊的科研平臺，張瑞永結合自身微生物與礦物材料學研究背景，探索海洋（深海）微生物腐蝕防護中的新策略，助力海洋新材料創新發展。目前主持“十四五”國家重點研發計劃“工程科學與綜合交叉”青年科學家項目——“深海環境設施附著微生物群落及腐蝕機制研究”。

段繼周，中國科學院海洋研究所研究員，博士生導師，中國科學院海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室主任，曾承擔國家海洋腐蝕領域973計劃課題、國家自然科學基金、中國科學院A類先導專項課題、中國科學院從0到1原始創新項目等重要項目，發表論文200余篇，授權發明專利20余項。以第一完成人榮獲山東省自然科學獎二等獎、海洋科學技術獎二等獎、青島市自然科學獎二等獎等多項學術獎勵，以及“青島拔尖人才”、“青島市現代海洋杰出英才”、“青島市五一勞動獎章”等榮譽稱號。目前兼任中國腐蝕與防護學會副理事長、中國海洋湖沼學會海洋腐蝕與污損專業委員會主任委員、全國涂料與顏料標準化委員會專家委員、ISO/TC35/WG29中國專家委員等。多年來一直深耕在海洋微生物腐蝕和防護技術研究領域，提出厭氧硫酸鹽還原菌“吃鐵”電活性微生物腐蝕機理，為我國海洋腐蝕與防護研究發展做出重要貢獻。

引用本文

Xin Zhang, Shijun Zhang, Krishnamurthy Mathivanan, Ruiyong Zhang, Jie Zhang, Quantong Jiang, Wolfgang Sand, Jizhou Duan, Baorong Hou, Research progress and prospects in antifouling performance of photocatalytic sterilization: A review, J. Mater. Sci. Technol. 208 (2025) 189-201.

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。