全球清潔水資源短缺已成為21世紀最嚴峻的挑戰之一。隨著人口增長和社會經濟發展，超過36億人缺乏安全用水，預計到2050年這一數字將突破57億。工業、農業和城市污染向水體中引入了大量生物病原體和微污染物，包括有機化合物、有毒化學中間體、抗生素和重金屬。這些有害物質與微生物頻繁共存，導致未經處理或處理不足的廢水呈現出高度復雜的持續性污染。盡管現有的電催化、光催化、壓電催化和生物化學處理方法各有優勢，但它們往往依賴昂貴的催化劑、制備工藝復雜，且通常只能針對特定類型的污染物，限制了實際應用。

佐治亞理工學院童朝暉教授、臺灣大學林宗宏教授合作，開發出一種基于聚合物涂層納米線海綿的接觸電催化系統。該系統在超聲波刺激下，能夠實現微生物的消毒和多種微污染物的同步去除。PNS通過界面電子轉移產生高反應性活性氧，其協同的ROS生成與靜電荷電穿孔作用，可在3分鐘內實現超過99%的消毒率，同時降解染料、廢輪胎浸出液并還原重金屬離子。該系統還表現出高達每小時20.2微摩爾的過氧化氫產率，并且具有良好的可回收性和可重復使用性，為家庭即時使用和大規模廢水處理提供了強有力的解決方案。相關論文以“A polymer-coated nanowire sponge–based contact electrocatalytic system for simultaneous disinfection and removal of multiple micropollutants”為題，發表在Nature Communications上。

研究團隊首先對PNS-CEC系統的性能進行了系統考察。如圖1a所示，該系統通過接觸電催化產生強電場，促進電穿孔和ROS生成，包括超氧自由基、羥基自由基和過氧化氫。對比分析顯示（圖1b），本研究的過氧化氫產率遠超已報道的光催化、壓電催化和傳統CEC系統。為了證實水-PNS界面處接觸起電的發生，研究團隊將單電極摩擦納米發電機浸入去離子水中進行超聲測試（圖1c），結果顯示PTFE表面在與水接觸時積累了約每平方米3750納庫侖的負電荷。這些負電荷誘導了底層氧化亞銅/銅基底中的自由電子重新分布，產生界面靜電場。研究人員利用COMSOL軟件，基于掃描電鏡橫截面圖像和原子力顯微鏡三維高度圖構建了PNS表面模型（圖1e），模擬結果表明每米5×10?伏特的電場強度足以實現有效的水消毒。

圖1：基于聚合物涂層納米線海綿的接觸電催化系統概念。 a, PNS-CEC系統示意圖。PNS利用接觸電催化產生活性氧物種，包括羥基自由基、超氧自由基和過氧化氫，同時利用電致孔實現多功能水處理。這一強大機制可實現：(1)快速消毒革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌，(2)高效降解染料污染物，(3)分解新興污染物N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-對苯二胺-醌，以及(4)還原有毒重金屬離子。 b, 本工作與已報道的利用光催化（紅色塊）、壓電催化（藍色塊）和傳統接觸電催化技術（綠色塊）的系統之間的過氧化氫產率對比分析。 c, 不同超聲能量水平下聚四氟乙烯與水之間接觸起電的評估。 d, 100%超聲能量水平下觀察到的電荷轉移。 e, PNS/水界面處的模擬電場分布。模型幾何結構采用基于橫截面掃描電鏡圖像和原子力顯微鏡三維高度圖構建的參數化曲面。

在材料制備與表征方面，如圖2a所示，PNS的制備采用兩步法：首先將商用銅海綿在500℃空氣中熱解5小時，在其表面生長氧化銅納米線，形成CuO?納米線海綿；隨后將其浸入60 wt% PTFE溶液中，經120℃干燥和350℃熱處理，得到最終的PNS樣品。光學圖像顯示，原始銅海綿呈紅棕色，氧化后變為黑色，PTFE涂層后變為灰色，接觸角范圍為120.6°至137.3°。掃描電鏡圖像（圖2b）顯示原始銅海綿具有光滑潔凈的多孔結構；熱解后表面完全被CuO?納米線覆蓋，形成納米森林形貌（圖2c）；透射電鏡圖像（圖2d）顯示納米線呈針狀結構，晶面間距為1.8埃；PTFE涂層后表面呈現出脊、谷和微裂紋結構（圖2e）。傅里葉變換紅外光譜（圖2f）在每厘米1147和1203處出現C-F?和C-F的特征峰，X射線光電子能譜（圖2g）顯示出顯著的F 1s峰，均證實PTFE的成功包覆。

圖2：聚合物涂層納米線海綿的制備與表征。 a, 銅海綿經清洗和熱解生成氧化銅納米線，隨后在納米線表面進行聚四氟乙烯涂層。示意圖下方提供了光學圖像及相應的接觸角結果。 b, 低倍和高倍放大下銅海綿的掃描電鏡圖像。 c, 顯示氧化銅納米線生長的掃描電鏡圖像。 d, 顯示氧化銅納米線尺寸和晶體結構的透射電鏡圖像。 e, 掃描電鏡圖像顯示PNS的表面形貌，具有脊和谷特征。 f, PNS（紅線）和氧化銅納米線（藍線）的傅里葉變換紅外光譜。 g, PNS（紅線）和氧化銅納米線（藍線）的X射線光電子能譜。

關于微污染物去除性能，研究團隊將PNS置于超聲浴中構建了超聲輔助CEC系統。如圖3a所示，對于初始濃度為5 ppm的結晶紫和甲基藍染料，紫外-可見光譜顯示其特征吸光度隨超聲時間逐漸下降，60分鐘后超過99%的染料被去除。光學圖像顯示結晶紫從紫色變為無色，甲基藍從淺藍色變為無色。對于新興微污染物6PPD-醌（圖3b），超高效液相色譜-串聯質譜分析表明，2 ppm的6PPD-醌在10分鐘內即可被降解。對于重金屬離子（圖3c），5 ppm的六價鉻在60分鐘后被還原為三價鉻。自由基淬滅實驗（圖3d）顯示，加入叔丁醇和對苯醌后結晶紫降解效率顯著降低，證實羥基自由基和超氧自由基均參與降解過程，其中羥基自由基起主導作用。電子順磁共振波譜（圖3e）進一步確認了兩種自由基的產生。對苯二甲酸法和XTT法（圖3f和3g）顯示PNS的ROS水平隨時間增加，顯著高于非多孔PTFE塊。過氧化氫定量結果（圖3h）表明PNS的產率為每小時20.2微摩爾。圖3i總結了ROS生成機制：超聲空化氣泡在PTFE-水界面引發頻繁的接觸起電和電子轉移，電子從水分子轉移到PTFE的最低未占據分子軌道，形成瞬態帶負電的PTFE*態，隨后通過水氧化反應和氧還原反應產生各種ROS，而PNS內部微裂紋中的空氣擴散進一步增強了氧氣可利用性。

圖3：通過接觸電催化去除微污染物及所提出的機制。 a, 結晶紫（紅線）和甲基藍（藍線）的降解。 b, N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-對苯二胺-醌的降解。綠線顯示隨時間變化的降解性能。超高效液相色譜-串聯質譜譜圖顯示進料溶液中的6PPD-醌（藍線）和PNS-CEC系統降解10分鐘后（紅線）。 c, 鉻離子溶液(Cr??)的還原。 d, PNS的淬滅劑測試，其中叔丁醇作為羥基自由基的淬滅劑（藍線），對苯醌作為超氧自由基的淬滅劑（紅線）。無淬滅劑的對照實驗顯示為綠線。 e, PNS的電子順磁共振分析。綠線代表無樣品的對照實驗，紅線對應羥基自由基信號，藍線對應超氧自由基信號。 f, 羥基自由基的檢測。PNS的羥基自由基強度測量值如藍線所示，PTFE塊如紅線所示。 g, 超氧自由基的檢測。PNS的吸光度測量值如藍線所示，PTFE塊如紅線所示。 h, PNS和PTFE塊中過氧化氫生成的定量分析。藍條代表PNS，紅條代表PTFE塊。 i, 所提出的活性氧物種生成機制。在接觸電催化系統中水與PTFE接觸過程中，電子從水分子轉移到PTFE的最低未占分子軌道，形成瞬態帶負電的PTFE狀態。生成的電荷隨后驅動活性氧物種產生的兩個主要反應途徑：水氧化反應和氧還原反應。此外，通過聚合物涂層納米線海綿微裂紋結構的空氣擴散進一步促進了活性氧物種的生成。

在抗菌性能方面，研究團隊以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為模型菌種進行了評估。如圖4a-c所示，當PNS與超聲聯合作用時，兩種細菌在5分鐘內均被消除超過99%，而所有對照實驗中消毒效果均微不足道。銅離子對照實驗證實抗菌效果并非由銅離子浸出引起。圖4d的掃描電鏡圖像顯示，處理后的細菌細胞出現明顯損傷，黃色箭頭指示了受損細胞。圖4e示意了協同抗菌機制：CEC產生的過氧化氫削弱細菌外壁，增強其對電穿孔的敏感性；同時強電場促進電穿孔，使細菌被穿孔的同時暴露于羥基自由基，后者氧化核酸并降解細胞結構，實現從內到外的徹底破壞。

圖4：PNS-CEC系統的抗菌性能。 a, 不同時間間隔下大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的瓊脂平板培養結果。 b, 大腸桿菌的消毒動力學。黑線、紅線、藍線和綠線分別代表對照實驗、無PNS的超聲波處理、無超聲波處理的PNS以及有超聲波處理的PNS。 c, 金黃色葡萄球菌的消毒動力學。黑線、紅線、藍線和綠線分別代表對照實驗、無PNS的超聲波處理、無超聲波處理的PNS以及有超聲波處理的PNS。 d, 處理前后大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的掃描電鏡圖像。黃色箭頭表示受損的細菌細胞。 e, 綜合抗菌機制示意圖，其中PNS產生的電致孔和活性氧物種協同滅活革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌。活的大腸桿菌以橙色顯示，死亡的大腸桿菌以灰色顯示；活的金黃色葡萄球菌以藍色顯示，死亡的金黃色葡萄球菌以灰色顯示。同時展示了革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌細胞之間的差異。

關于系統的可擴展性和可重復使用性，研究團隊設計了一個適用于工業廢水連續流處理的大型系統（圖5a-d）。如圖5c所示，隨著更多PNS材料加入反應器，消毒性能進一步提升，3分鐘內即可實現超過99%的細菌去除。圖5e展示了60個連續消毒循環的重復使用性能，單個PNS樣品（0.322克）有效處理了超過120毫升污染水，性能無明顯下降。經過60個循環后，材料未出現明顯變色或形貌變化，元素圖譜和XPS分析均證實PTFE組成和化學狀態保持不變。

圖5：聚合物涂層納米線海綿的可擴展性和可重用性。 a, 不同時間間隔下大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的瓊脂平板培養結果。 b, 處理前后大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的掃描電鏡圖像。黃色箭頭表示受損的細菌細胞。 c, 大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的消毒動力學。對于大腸桿菌，黑線和紅線分別代表無PNS和超聲波處理以及有PNS和超聲波處理的流動系統。對于金黃色葡萄球菌，藍線和綠線分別代表無PNS和超聲波處理以及有PNS和超聲波處理的流動系統。 d, 流動反應器示意圖，包括污染溶液儲罐、蠕動泵、超聲波浴、流動反應器和處理水收集容器。 e, PNS在60個連續消毒循環中的可重用性表現。

最后，研究團隊在真實水體環境中驗證了PNS-CEC系統的有效性。如圖6a-b所示，使用取自臺灣大學校園及周邊的河水、湖水和積水進行了消毒測試，系統實現了超過99%的微生物滅活效率。成本分析顯示，PNS的制備成本約為每公斤37.4美元，其中材料費用占主導（約98%）。與傳統水處理技術相比（圖6c雷達圖），PNS-CEC系統在5分鐘消毒性能、達到99%以上細菌去除所需總時間、輸入功率和過氧化氫產率四個關鍵指標上均表現出顯著優勢，同時不依賴貴金屬、無需外部氧化劑或化學添加劑。

圖6：聚合物涂層納米線海綿在實際水體應用中的評估。 a, 實際水樣的光學圖像及相應的瓊脂平板培養結果。 b, 不同水體的消毒性能。藍條代表對照實驗，紅條代表超聲波處理下的PNS系統。 c, PNS多項性能指標的雷達圖總結。紅色區域代表本工作的性能，藍色區域代表傳統接觸電催化系統的性能。

綜上所述，這項研究建立了一種高效CEC催化劑的理性設計范式，為多種污染物降解策略提供了寶貴見解。超聲輔助PNS-CEC系統的高性能歸因于良好分散的PNS基催化劑高效生成ROS，其過氧化氫產率高于以往報道的CEC系統。PNS在水溶液中表現出優異的分散性，在不犧牲活性表面積的情況下保持高催化效率。除了高活性外，該系統還具有易于回收、可擴展和強大的可重復使用性等實際優勢。特別是在真實水處理場景中的有效性驗證，展示了其在實用和可持續水凈化方面的巨大潛力，為應對全球水污染危機提供了強有力的工具。