Nano Lett.使用金属有机框架摩擦电导电线的自供电消毒

在缺乏电力供应的农村和灾区，高效的水消毒是至关重要的。然而，传统的水消毒方法强烈依赖外部化学输入和可靠的电力。在此，我们提出了一种自供电水消毒系统，使用协同过氧化氢(H2O2)辅助电穿孔机制，由摩擦电纳米发电机(TENGs)驱动，从水流中收集电力。在电源管理系统的辅助下，由流量驱动的TENG产生具有目标电压的受控输出，驱动导电金属-有机框架纳米线阵列，有效地产生H2O2并进行电穿孔。易扩散的H2O2分子可以在高通量下进一步损伤电穿孔引起的损伤细菌。自供电消毒样机可在大流量范围内完成消毒(>99.9999%去除率)，最高可达3.0 × 104 L/(m2 h)，低流量阈值(200 mL/min;∼20 rpm)。这种快速、自供电的水消毒方法在控制病原体方面很有前景。

图文简介

摩擦电纳米发电机(TENG)驱动自供电消毒方法。(a)技术支援中心的结构示意图。(b) TENG工作原理的说明。(c)在30至600转/分转速下，TENG的输出电压。(d)在不同转速(30-600 rpm)下，通过电源管理系统调节TENG输出到0.8-1.2 V的目标稳定直流电压和TENG的调节直流输出。(e)电生成h2o2辅助电穿孔消毒系统对细菌的协同消毒机制示意图。导电MOF纳米线(即Cu-HHTP NWs)在尖端附近产生增强的局部电场进行电穿孔，并产生H2O2进一步破坏细菌。

Cu-HHTP NW-Cu电极的结构和物理表征。Cu(OH)2 NW-Cu (a)和Cu- hhtp NW-Cu (b)电极的扫描电镜图像。(c) Cu-HHTP西北段HRTEM图像。插图:SAED图案。(d) Cu-HHTP NW的STEM图像及相应的EDS作图。(e) Cu-HHTP沿c轴的结构示意图。颜色代号:O，红色球体;C，灰色球体;Cu，蓝色球体。(f) Cu(OH)2 NW-Cu和Cu- hhtp NW-Cu电极的XRD谱图。(g) Cu- hhtp NW-Cu电极的XPS Cu 2p谱。(h)采用四点探针法测量Cu(OH)2 NW-Cu和Cu- hhtp NW-Cu电极的电导率。插图:四点探头法测量原理示意图。误差条表示三次重复测量的标准偏差。

Cu-HHTP NW实现了由水驱动TENG驱动的电解h2o2辅助电穿孔(EH2O2E)消毒。(a)消毒系统及协同消毒机制示意图。Cu- hhtp NW-Cu(开口为100 μm)和惰性Cu网(开口为100 μm)电极分别作为阴极和阳极。水流过电极。TENG的输出通过电源管理系统调节到目标电压(0.8-1.6 V)。(b)固定水流流速为10 mL/min时，施加电压(0.8-1.6 V)对大肠杆菌(左图为革兰氏阴性菌)和枯草芽孢杆菌(右图为革兰氏阳性菌)消毒效率的影响。(c)调节后固定从TENG施加1.2 V电压，水流流速(1-60 mL/min)对大肠杆菌(左)和枯草芽孢杆菌(右)消毒效率的影响。(b)和(c)实验在pH 7.0下的10mm PBS缓冲液中进行。(d)不同模式菌在河水中的消毒效果。teng以100转/分的固定转速运行。虚线表示所有细菌都是灭活的(即没有检测到活细菌)。误差条表示三次重复测量的标准偏差。

论文信息

论文题目：Self-Powered Disinfection Using Triboelectric, Conductive Wires of Metal–Organic Frameworks

通讯作者：Keren Dai*, Peixun Xiong*,Ling Qiu*

通讯单位：Sungkyunkwan University,福州大学，Yonsei University

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