中山大学，Nature Water！
2025-09-19
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研究背景
光催化消毒是一种利用太阳能驱动、以氧气和水为原料、无需化学添加剂即可生成活性物种的新兴技术，因其绿色、低成本的特点在饮用水末端处理、应急供水和灾后救援等领域得到广泛关注。与传统的光催化材料（如TiO₂、g-C₃N₄等）相比，新型光催化材料在低光强条件下仍能实现高效消毒、且不易产生二次污染，具有寿命长、稳定性高、可重复使用等优点。
然而，现有光催化体系普遍依赖寿命极短（纳秒至微秒级）的反应性氧物种（ROS），导致自由基利用率低于5%，在实际低光环境下消毒效率大幅降低；同时，自由ROS还会攻击催化剂本身，引起自腐蚀和二次污染，从而严重制约其实际应用，这对安全饮水尤其是偏远和资源有限地区的末端水处理带来了巨大挑战。
在此，中山大学化学工程与技术学院叶宇昕教授、欧阳钢锋教授团队在“Nature Water”期刊上发表了题为“Reusable photocatalytic film for efficient water disinfection under low light intensity”的最新论文。该团队在前期蒽醌（AQ）生成氧中心有机自由基（OCORs）的基础上，通过在分子供体单元中引入强电子给体基团，精确调控光催化剂结构，促进激子解离与电子转移，有效提升OCORs的生成量并显著延长其寿命，实现了分钟级的长寿命活性物种，同时避免了对催化剂的攻击，极大提高了体系稳定性。
在此基础上，研究人员利用静电纺丝技术将光催化剂制备成可自浮的光催化薄膜，简化了部署过程。该薄膜在低自然光强（13–18mW·cm⁻²）条件下，仅40分钟即可在10升高度污染水体中实现>4.3-log的细菌灭活，并在重复使用≥50次后仍保持优异性能，有效防止细菌再生长。这一成果为偏远、灾后及资源有限地区提供了一种简单、便携、可持续的末端水处理新技术，并为光催化消毒从实验室走向实际应用提供了新的技术路径和理论依据。
研究亮点
（1）本研究首次制备出一种可自浮的光催化薄膜，实现了在低自然光强（13–18 mW·cm⁻²）条件下，对10升高度污染水体在40分钟内达到>4.3-log的细菌灭活效果，而传统光催化剂（如TiO₂、g-C₃N₄等）在相同条件下几乎无效。
（2）该薄膜利用氧中心有机自由基（OCORs）这一非常规活性物种，其寿命比传统反应性氧物种（ROS）长几个数量级，使自由基能够在弱光条件下持续累积，从而显著提高了消毒效率，并避免对催化剂的攻击，赋予薄膜优异的稳定性（可重复使用≥50次）。
（3）实验通过在分子水平精确调控光催化剂结构，在供体单元引入强电子给体基团，促进激子解离和电子转移，显著提高了OCORs的生成速率和稳定性，并通过静电纺丝将光催化剂制备为自浮薄膜，实现了便捷部署。
（4）结果表明，该薄膜不仅在阴天低光照条件下仍能高效消毒，还能有效防止水体细菌再生长，具有低能耗、高稳健性和操作简便性，为偏远或资源有限地区、灾后场景及长期水体修复提供了一种简单、即用型、可持续且经济的饮用水处理新方案。
图文解读
图1 | OCORs的特征特性及光催化薄膜应用示意图。
图2 | 光催化剂的结构特征。
图3 | 光催化水处理性能。
图4 | OCORs的形成、稳定性、利用和转化。
图5 | 促进OCORs形成的内在机制。
图6 | 使用即用型光催化薄膜进行水消毒。
结论展望
本研究揭示了光催化消毒领域中非常规活性物种——氧中心有机自由基（OCORs）的关键作用，突破了传统反应性氧物种（ROS）寿命短、利用效率低及易攻击催化剂的局限。通过分子结构精细调控光催化剂，成功延长OCORs寿命至分钟量级，同时抑制其与催化剂的副反应，实现弱光条件下高效累积并持续灭菌，显著提升了光催化消毒效率。
这一策略不仅在概念上提出了“长寿命、有选择性活性物种”的新思路，也在技术上实现了可自浮光催化薄膜的制备，兼具操作简便、低能耗和可重复使用等优势。研究成果为资源有限地区和灾后环境提供了一种经济、高效、可持续的饮用水消毒方案，同时开辟了光催化材料在实际环境中广泛应用的新方向，展示了通过分子设计优化活性物种特性以提升环境净化效率的潜力，为未来水处理和公共卫生技术的发展提供了重要科学依据与创新路径。
原文详情：
Huang, Y., Li, X., Yan, H. et al. Reusable photocatalytic film for efficient water disinfection under low light intensity. Nat Water (2025).
https://doi.org/10.1038/s44221-025-00500-0
