中国科学院海洋研究所JMST综述：光催化抗菌与防污性能研究进展

2025-05-16 16:57:52 作者：张鑫来源：材料科学和技术分享至：

第一作者：张鑫

通讯作者：张瑞永、段继周

通讯单位：中国科学院海洋研究所

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.04.052

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光催化抗菌防污技术作为一种绿色环保、高效的微生物污染防控手段，近年来受到了广泛关注。本文综述了光催化抗菌防污的原理，包括光诱导电荷载流子转移、主要活性氧（ROS）种类以及光催化剂与微生物之间的相互作用。同时，总结了氧化应激、光热、压电和摩擦电效应等实现多模式协同抗菌防污，以及不同类型的半导体光催化剂（如TiO₂、ZnO、CeO₂等）在光催化抗菌防污活性方面的研究进展。此外，还提出了提升光催化抗菌防污技术实际应用性能的策略，讨论了该技术面临的挑战和未来发展方向。

研究背景

细菌污染和海洋生物污损是全球性问题，严重影响经济、环境和人类健康。在海洋工业中，生物污损会导致船舶燃油消耗增加、工程结构损坏及核电站排水管堵塞等问题，造成巨大经济损失。同时，微生物污染还可能引发疾病传播，威胁人类健康。传统防控措施虽有一定效果，但存在成本高、效果有限、易导致细菌耐药性及二次污染等问题。

光催化技术因其环境友好、广谱抗菌、高效且可再生等优点，展现出巨大应用潜力。光催化抗菌防污通过光催化剂在光照下产生光生电子和空穴，进而产生活性氧（ROS），破坏微生物细胞膜和DNA，实现抗菌效果。与传统方法相比，光催化抗菌防污技术仅需太阳能，无额外能源输入，成本低且可持续；不产生有害化学残留，对环境友好；具有广谱性，可杀灭多种微生物。因此，光催化抗菌防污技术是一种极具发展前景的绿色防控技术，在海洋防污、医疗消毒、食品保鲜和污水处理等领域应用前景广阔。

本文亮点

本文全面总结了光催化抗菌防污技术的最新研究进展，详细阐述了光催化抗菌防污的多种机制，如氧化应激、光热效应、压电场效应和摩擦电场效应等。对不同类型半导体光催化剂的抗菌性能和改性策略进行了系统归纳，为设计新型高效光催化抗菌材料提供了理论依据。此外，本文还深入分析了光催化抗菌防污技术在实际应用中面临的挑战，如光催化剂的稳定性、回收利用以及对不同微生物的抗菌效率等问题，并对未来的发展方向进行了展望。

图文解析

图1 光催化抗菌机制示意图：ROS攻击细胞膜并破坏DNA。

图2 光热抗菌机制示意图：基于光动力（PDT）与光热（PTT）协同作用的抗菌治疗。

图3 压电光催化抗菌示意图：压电光催化效应用于细菌的直接机械破坏。

图4 摩擦电催化抗菌示意图：压电场效应和PDT联合抗菌。

总结与展望

光催化抗菌防污技术的研究仍处于发展阶段，未来该领域面临的挑战与前景如下：

（1）光催化剂的稳定性和回收利用是实际应用中的关键问题，需要开发更稳定、易于回收的光催化剂载体或固定化方法。

（2）深入理解光催化抗菌的机制，特别是光催化剂与微生物之间的相互作用，以及不同因素对抗菌效率的影响，对于优化光催化剂的设计至关重要。

（3）开发新型光催化抗菌材料和复合体系，提高光催化剂的可见光响应能力和量子效率，以实现更高效的太阳能利用。

（4）探索光催化抗菌技术在不同环境和应用场景中的适应性和效果，如海洋防污、医疗消毒、食品保鲜等领域，推动该技术的广泛应用。

作者介绍

张鑫，中国科学院海洋研究所特别研究助理。主要从事海洋催化防污方面的相关研究。累计发表SCI论文20余篇；主持国家资助博士后研究人员计划、中国博士后科学基金特别资助、山东省博士后创新人才支持计划等项目。

张瑞永，中国科学院海洋研究所研究员，博士生导师，国家级青年人才，入选首届“海洋强国青年科学家”，任中国海洋湖沼学会海洋腐蚀与污损专业委员会秘书长、中南大学兼职教授，于2020年回国，加入中国科学院海洋研究所侯保荣院士和段继周研究员团队，开展海洋微生物腐蚀与防护研究。依托团队的科研平台，张瑞永结合自身微生物与矿物材料学研究背景，探索海洋（深海）微生物腐蚀防护中的新策略，助力海洋新材料创新发展。目前主持“十四五”国家重点研发计划“工程科学与综合交叉”青年科学家项目——“深海环境设施附着微生物群落及腐蚀机制研究”。

段继周，中国科学院海洋研究所研究员，博士生导师，中国科学院海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室主任，曾承担国家海洋腐蚀领域973计划课题、国家自然科学基金、中国科学院A类先导专项课题、中国科学院从0到1原始创新项目等重要项目，发表论文200余篇，授权发明专利20余项。以第一完成人荣获山东省自然科学奖二等奖、海洋科学技术奖二等奖、青岛市自然科学奖二等奖等多项学术奖励，以及“青岛拔尖人才”、“青岛市现代海洋杰出英才”、“青岛市五一劳动奖章”等荣誉称号。目前兼任中国腐蚀与防护学会副理事长、中国海洋湖沼学会海洋腐蚀与污损专业委员会主任委员、全国涂料与颜料标准化委员会专家委员、ISO/TC35/WG29中国专家委员等。多年来一直深耕在海洋微生物腐蚀和防护技术研究领域，提出厌氧硫酸盐还原菌“吃铁”电活性微生物腐蚀机理，为我国海洋腐蚀与防护研究发展做出重要贡献。

引用本文

Xin Zhang, Shijun Zhang, Krishnamurthy Mathivanan, Ruiyong Zhang, Jie Zhang, Quantong Jiang, Wolfgang Sand, Jizhou Duan, Baorong Hou, Research progress and prospects in antifouling performance of photocatalytic sterilization: A review, J. Mater. Sci. Technol. 208 (2025) 189-201.

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