近日，食品學(xué)院王建龍教授團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Spin polarization induced by atomic strain of MBene promotes the ·O2– production for groundwater disinfection”的研究論文。2019級(jí)碩士生劉兆利與2021級(jí)碩士生高文哲為論文的共同第一作者。食品學(xué)院王建龍教授、北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院劉文研究員、北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院郭少軍教授和合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院沈益忠副研究員為論文的共同通訊作者。

致病微生物以其廣泛的危害性，通過(guò)氣流、接觸或人工接種等多種途徑傳播，對(duì)人類健康、食品安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)乃至整個(gè)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此背景下，探索一種簡(jiǎn)單、綠色且高效的殺菌技術(shù)，特別是針對(duì)乏氧條件下的致病微生物，已成為國(guó)際科研界的前沿?zé)狳c(diǎn)。

圖1  MBene的氧氣自旋禁阻消除和超氧自由基生成機(jī)制

針對(duì)這一重大需求，王建龍教授團(tuán)隊(duì)首次揭示了原子級(jí)應(yīng)變誘導(dǎo)的氧氣活化機(jī)制，成功研發(fā)出一種在低溶解氧環(huán)境下高效殺滅耐藥菌的新技術(shù)。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地運(yùn)用自旋軌道解析算法，從自旋和軌道的獨(dú)特視角，深入剖析了原子級(jí)應(yīng)變策略如何打破氧氣自旋禁阻的奧秘。理論計(jì)算結(jié)果顯示，該策略成功誘導(dǎo)了MBene材料的自旋極化效應(yīng)，從而克服了氧氣的自旋禁阻，實(shí)現(xiàn)了低溶解氧條件下氧氣的高效活化，使光催化超氧自由基的產(chǎn)量激增16.59倍。

圖2  所研發(fā)方法在乏氧條件下對(duì)耐藥菌的光催化殺滅效果

此外，團(tuán)隊(duì)還對(duì)真實(shí)地下水中的致病菌進(jìn)行了殺滅效果評(píng)估，進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用潛力。配備MBene的光催化連續(xù)消毒系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)62小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行，還成功產(chǎn)生了37.2升無(wú)菌水。與商用次氯酸鈉消毒劑相比，該殺菌系統(tǒng)的消毒能力高出25倍，展現(xiàn)出極高的應(yīng)用轉(zhuǎn)化價(jià)值。

上述研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和西北農(nóng)林科技大學(xué)首批院級(jí)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。