隨著抗生素耐藥性的不斷增加，抗藥性細(xì)菌對(duì)公共健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，迫切需要發(fā)展新的抗菌策略。近年來，基于反應(yīng)性氧種（ROS）產(chǎn)生的抗菌策略成為研究熱點(diǎn)，因?yàn)槠淠軌蛴行缁罴?xì)菌病原體。金屬有機(jī)框架（MOFs）因其高孔隙率、豐富的可調(diào)節(jié)位點(diǎn)和靈活的功能性，作為一種新型材料，表現(xiàn)出了在有機(jī)物氧化方面的優(yōu)異性能，吸引了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)材料相比，MOFs具備更好的環(huán)境兼容性、更低的毒性、更大的結(jié)構(gòu)多樣性和可調(diào)性，且可以與其他功能如選擇性吸附和傳感等結(jié)合。然而，MOFs在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，如抗菌活性的持續(xù)性和在溫度變化下的催化穩(wěn)定性等問題。
鑒于此，臺(tái)灣大學(xué)Dun-Yen Kang、Zong-Hong Lin教授等人攜手在Science Advances期刊上發(fā)表了題為“Metal-organic frameworks as thermocatalysts for hydrogen peroxide generation and environmental antibacterial applications”的最新論文。
該團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)和制備了ZIF-8基MOF材料，并將其涂覆于碳纖維布（CFF）表面，成功實(shí)現(xiàn)了熱催化生成H2O2并展現(xiàn)出卓越的抗菌性能。通過在模擬實(shí)際條件下使用室內(nèi)溫差，該團(tuán)隊(duì)的MOF涂層過濾材料在低溫變化周期中成功產(chǎn)生H2O2，并顯示出長(zhǎng)期的抗菌效果，超過一個(gè)月的持續(xù)抗菌性能，顯著提高了材料的應(yīng)用價(jià)值。
此外，團(tuán)隊(duì)通過詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)表征，對(duì)ZIF-8的熱電性能和熱催化機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了溫差引起的電荷分離和電壓生成機(jī)制。與傳統(tǒng)熱電材料（如鉍碲Bi2Te3、二氧化鈦TiO?和氧化鈰CeO?）相比，MOFs作為熱催化劑不僅具備低毒性和較好的環(huán)境兼容性，還能通過其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)多樣性和功能可調(diào)性優(yōu)化催化性能，具有更廣闊的應(yīng)用前景。
（1）實(shí)驗(yàn)首次利用金屬有機(jī)框架（MOF）材料ZIF-8作為熱催化劑，成功實(shí)現(xiàn)了在低溫條件下通過溫差生成H2O2，并展示了其顯著的抗菌性能。
（2）實(shí)驗(yàn)通過將ZIF-8納米粒子涂覆在碳纖維織物（CFF）上，構(gòu)建了一個(gè)熱催化過濾器，模擬了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的溫度差異，成功實(shí)現(xiàn)了H2O2的原位生成，并顯示出對(duì)多藥耐藥菌株（如大腸桿菌和金黃色葡萄球菌）的抗菌活性。
（3）實(shí)驗(yàn)通過對(duì)ZIF-8的結(jié)構(gòu)和熱電性能的表征，揭示了其在熱催化過程中通過溫差誘導(dǎo)電荷分離和電壓生成的機(jī)制，進(jìn)一步證實(shí)了其在H2O2生成中的重要作用。
（4）實(shí)驗(yàn)通過與其他金屬有機(jī)框架（MOF）材料的比較，表明ZIF-8在熱催化效率和抗菌效果方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其在低溫條件下的反復(fù)循環(huán)使用中，ZIF-8仍能維持高效的抗菌性能。
圖1. 使用ZIF-8涂層CFF的熱催化H2O2生成。
圖4. ZIF-8與其他MOFs的熱催化效率比較。
圖7. 抗菌過濾系統(tǒng)的實(shí)施及其重復(fù)使用潛力的評(píng)估。
在研究的MOFs中，ZIF-8因其最佳的能帶結(jié)構(gòu)和較低的功函數(shù)（3.938 eV）展現(xiàn)了最高的熱催化效率。ZIF-8納米顆粒（NPs）被涂覆在碳纖維布（CFF）上，制成抗菌濾膜，通過溫度循環(huán)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腸桿菌（E. coli）和金黃色葡萄球菌（S. aureus）高達(dá)96%的滅活效果。ZIF-8@CFF濾膜在不同溫度條件下，經(jīng)過30天的操作，保持了穩(wěn)定的H2O2生成和抗菌性能。
這一創(chuàng)新性使用MOF熱催化劑利用普遍存在的溫度波動(dòng)，開辟了能源高效催化、消毒技術(shù)和環(huán)境修復(fù)應(yīng)用的潛在機(jī)會(huì)。研究結(jié)果突顯了低溫源驅(qū)動(dòng)的熱電催化過程的巨大潛力。該開創(chuàng)性工作揭示了MOF熱催化劑在環(huán)保和節(jié)能催化過程中的巨大潛力。
未來的研究應(yīng)探索MOF設(shè)計(jì)策略，以進(jìn)一步提升熱催化性能。與可穿戴熱電技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)自供能抗菌紡織品的開發(fā)。除了消毒，MOF基熱催化劑還在利用普遍存在的溫差方面展示了多種應(yīng)用前景，如水處理、化學(xué)合成和能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。
Arnab Pal et al. ,Metal-organic frameworks as thermocatalysts for hydrogen peroxide generation and environmental antibacterial applications.Sci. Adv.11,eads4711(2025).
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