隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與人口增長(zhǎng)，清潔水資源需求激增。然而，城市、農(nóng)業(yè)及工業(yè)污染引入了各類微污染物和生物病原體，導(dǎo)致廢水成分復(fù)雜且難以通過(guò)傳統(tǒng)手段徹底凈化。盡管生化處理等現(xiàn)有方法廣泛應(yīng)用，但其往往依賴昂貴的催化劑，僅針對(duì)特定污染物，且制備工藝復(fù)雜。因此，開發(fā)一種高效節(jié)能、無(wú)殘留且操作簡(jiǎn)便的水處理技術(shù)，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種微污染物的去除和微生物消毒，已成為行業(yè)迫切需求。

接觸電催化技術(shù)的突破

接觸電催化（CEC）作為一種氧化還原技術(shù)，巧妙融合了機(jī)械化學(xué)、催化作用與接觸起電效應(yīng)。相較于傳統(tǒng)催化方法，CEC具備可重復(fù)使用性強(qiáng)、成本低廉以及無(wú)需貴金屬或稀土金屬催化劑等顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)固液接觸起電，CEC能夠觸發(fā)或加速氧化還原反應(yīng)，而超聲波誘導(dǎo)的快速接觸-分離循環(huán)進(jìn)一步提升了這一過(guò)程效率。這使得CEC不僅能有效降解水溶液中的有機(jī)污染物，還能生成過(guò)氧化氫（H2O2），甚至在廢舊鋰離子電池回收中展現(xiàn)潛力。

在CEC系統(tǒng)中，催化劑的設(shè)計(jì)對(duì)活性氧（ROS）的生成速率至關(guān)重要。聚四氟乙烯（PTFE）等含氟材料因具有低電離能和高表面氟含量，能有效提升接觸-分離循環(huán)中的界面電荷轉(zhuǎn)移。然而，含氟材料固有的疏水性限制了其在水中的分散性。因此，設(shè)計(jì)一種既能易于回收、提高氧氣可及性，又能改善水分散性的催化劑材料，成為提升CEC效率的關(guān)鍵。

聚合物涂層納米線海綿的創(chuàng)新

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上發(fā)表了一項(xiàng)Zui新成果，提出了一種基于聚合物涂層納米線海綿（PNS）的超聲輔助接觸電催化系統(tǒng)。該研究以3毫米厚、密度為1800克/平方米、孔徑為90孔/英寸（PPI）的銅海綿為基底，通過(guò)生長(zhǎng)氧化銅納米線并涂覆PTFE溶液，成功制備出PNS材料。

經(jīng)過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、能量色散光譜（EDS）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）及X射線光電子能譜（XPS）等多重表征驗(yàn)證，該材料結(jié)構(gòu)均勻且穩(wěn)定。研究團(tuán)隊(duì)隨后進(jìn)行了細(xì)菌溶液制備、抗菌實(shí)驗(yàn)、染料降解、6PPD-醌（一種來(lái)自輪胎的污染物）降解、重金屬還原以及活性氧分析等一系列測(cè)試。

高效凈化與多重優(yōu)勢(shì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在超聲波刺激下，PNS促進(jìn)了界面電子轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了極高的活性氧生成速率。在靜態(tài)電荷電穿孔和活性氧生成的共同作用下，該系統(tǒng)在短短3分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)超過(guò)99%的殺菌率，并有效降解了6PPD-醌、染料及廢水中的重金屬離子。在環(huán)境條件下，其過(guò)氧化氫生產(chǎn)速率達(dá)到20.2 ± 0.1 μmol h?1。

這一優(yōu)異性能得益于PNS的獨(dú)特設(shè)計(jì)：PTFE沉積在氧化銅納米線海綿上，利用銅海綿的高比表面積確保催化劑均勻分布，并便于在水中的回收。盡管PTFE涂層導(dǎo)致部分孔隙堵塞，但PNS仍保持了穩(wěn)定的水浸沒性和高催化效率，且在多次運(yùn)行循環(huán)中性能穩(wěn)定。與真實(shí)水樣測(cè)試表明，該系統(tǒng)能有效去除微生物污染物，展現(xiàn)出實(shí)用且可持續(xù)的水凈化潛力。

此外，銅納米線海綿的結(jié)構(gòu)促進(jìn)了空氣包裹，提高了氧氣可用性，從而增加了活性氧的生成。更重要的是，該P(yáng)NS-CEC系統(tǒng)無(wú)需稀土或貴金屬，且避免了傳統(tǒng)化學(xué)消毒劑可能產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物。雖然聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料能提升CEC性能，但超聲過(guò)程中的直接金屬接觸會(huì)導(dǎo)致銅離子過(guò)度浸出和二次污染，而本方案通過(guò)聚合物涂層有效緩解了這一問(wèn)題。

盡管該研究展示了PNS基CEC系統(tǒng)在點(diǎn)使用和大規(guī)模廢水處理中的巨大潛力，但要實(shí)現(xiàn)實(shí)際規(guī)?；瘧?yīng)用，仍需優(yōu)化超聲波能量分布和換能器排列。這一技術(shù)為應(yīng)對(duì)復(fù)雜水污染危機(jī)提供了新的思路，有望推動(dòng)水處理行業(yè)向更綠色、高效的方向發(fā)展。