中国海洋大学在密闭空间高效空气杀菌领域取得新进展

 近日，中国海洋大学材料科学与工程学院陈守刚教授团队在国际权威期刊Engineering（《工程》）上发表题为“Template-Directed Growth of a 3D Hierarchical Structure of Well-Aligned Bimetallic MOF Arrays for High-Efficiency Electrocatalytic Air Sterilization”（三维分级结构双金属MOF阵列的可控制备及高效电催化空气灭菌）的最新研究成果。该研究通过仿生策略设计出一种新型电极材料，在低电压下即可实现对流动空气中微生物的极速高效灭活，为密闭空间空气杀菌提供了创新性解决方案。

室内空气质量直接关系公众健康，世界卫生组织报告指出，密闭空间内空气污染程度可达室外的5-10倍，全球约4%的疾病与之相关。然而，现有通风、吸附、光催化等技术在效率、稳定性或安全性上存在局限，难以满足对空气中致病微生物高效、快速、低能耗的净化需求。

图1.（a-c）三维分级结构Co-MOF/Cu@Cu电极的制备过程与微观形貌表征；（d-g）材料的局部电场分布模拟、能带结构分析与活性氧协同杀菌机制示意

针对这一挑战，研发团队受自然结构启发，采用模板导向生长法，成功在铜基底上制备出排列规整、具有三维分级结构的钴-铜双金属有机框架（Co-MOF/Cu@Cu）阵列（图1）。该独特结构赋予材料极大的比表面积与丰富的活性位点，同时展现出优异的稳定性。研究显示，当空气以1.5 m/s流速通过施加了12-24 V交流电压的该电极时，仅需0.003秒的极短接触时间，对细菌的灭菌率即可超过99%，在24 V电压下灭菌率高达99.50%。团队通过实验与模拟深入分析，系统揭示了其高效灭菌源于“电穿孔”与“活性氧（ROS）协同”的创新机制（图1）。材料独特的尖端与边缘结构能显著增强局部电场，快速击穿细菌细胞膜（电穿孔效应）；同时，外电场驱动氧气在材料表面发生电催化还原，产生活性氧自由基（外源ROS），并干扰细菌代谢诱导其自身产生内源ROS，从而从物理和化学双重途径彻底破坏细菌。

图2.（a）空气灭菌系统在室内环境中的应用概念图；（b）集成于空调管道的示意图；（c）MOF电极过滤系统的灭菌机制图解

该电极材料可直接作为过滤模块，集成于现有空调、新风系统等风道中（图2）。其模块化设计、低工作电压与瞬时高效杀菌特性，展现出显著的节能潜力与工程易用性，为实现大流量空气的实时、在线净化提供了可靠的技术路径。

图3.（a-c）陈守刚课题组近年来在室内空气污染治理领域的成果转化及发表论文

研究团队2025年毕业生合影（中间为陈守刚教授）

团队近年来基于仿生设计理念，通过调控导电纳米线阵列的尖端放电效应，结合光催化与电催化降解机制，以实现高流速空气或水体环境下对细菌、病毒及异味分子的有效去除。目前，团队与海信家电集团紧密合作，成功研发杀菌净味电极材料并进行场景示范应用，在净化性能与能效方面均取得重要突破。

材料科学与工程学院2022级海洋材料科学与工程专业博士研究生董丽婷为论文第一作者，陈守刚教授为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、中国海洋大学校长基金重点基金以及海信家电集团委托项目的支持。

文：董丽婷

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209580992500668X