地球环境所构筑新型材料高效灭活生物气溶胶

生物气溶胶是病原体空气传播的重要媒介，对人类生命健康构成严重威胁。光催化技术作为一种由光生自由基驱动的绿色消杀技术，与传统紫外照射、化学消毒等技术相比，具有环境友好、无耐药性风险及可避免产生致癌副产物等优势，极具应用前景。但现有光催化体系需百瓦级强光照射数小时，才能生成足够有效灭活病原体的自由基，且其对遗传物质的破坏机制仍不明确。因此，开发兼具低能耗、快速与高效特性的新材料，并系统揭示其在分子水平上对病原体遗传物质的灭活机制，不仅将深化对环境催化理论的科学认知，也可推动光催化新型材料在室内空气消毒与公共卫生防护领域的产业化应用。

中国科学院地球环境所空气净化新技术团队（AirPNT）基于在异质结界面对电子传输的精确调控，构筑了一种能稳定低价态Cu(I)的新型Cu2O/ZIF-8材料（图1）。新型材料在低至13 W的弱光环境中，仅需5 µg mL-1的材料投加浓度，即可在15分钟内实现对革兰氏阴性菌和阳性菌的广谱彻底灭活，展现出极具市场竞争力的光催化性能。机制分析发现，新型材料在异质界面处基于费米能级匹配形成的富电子层结构，不仅有效稳定了Cu(I)价态，还促进了光生载流子的空间分离与定向迁移，显著提升了长寿命超氧自由基的生成效率，从而有效实现对病原体膜结构的破坏，并使其DNA断链（图2）。转录组学分析进一步揭示了其不可逆的遗传物质灭活机制，差异表达基因涉及膜结构破坏、遗传物质失活、蛋白功能紊乱，及氧化应激损伤等关键生物过程（图3）。气相微反应器中的生物气溶胶光催化灭活实验以及大气颗粒物共存体系下的性能评估，则充分验证了该材料在环境空气应用中的高效光催化活性与优异稳定性（图4）。

相关成果发表于Environment Science & Technology。该工作受国家自然科学基金（42403080和42407150）、中国科学院青年交叉团队（JCTD-2022-17）和黄土科学全国重点实验室重点项目（SKLLQGZD2503）共同资助。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c08583

图1. Cu2O/ZIF-8异质结的界面电子分布（a）与光催化灭活病原体性能对比（b）

图2. 异质结光催化破坏病原体膜结构和DNA断链机制

图3. 异质结光催化过程影响遗传物质表达机制

图4. 气相微反应器光催化灭活生物气溶胶实验（a）与大气颗粒物共存体系下的性能评估实验（b）