开发有效的水净化系统对于控制和修复环境污染至关重要，尤其是在杀菌方面。在此，作者展示了精心设计的由二维（2D）Ti3C2 MXene 纳米片核心和连续 ZIF-8 超薄外层组成的三明治结构复合纳米片及其在光催化杀菌中的潜在应用。研究结果表明，保形 ZIF-8-MXene 纳米片扩大了光吸收范围（826 nm），提高了光热转换效率（6.2 ℃ s^-1）和光电流响应，从而在 90 min内提高了模拟阳光下对大肠杆菌的光催化杀菌效率（6.63 log₁₀CFU mL^-1）。有趣的是，二维 ZIF-8 层具有正 Zeta 电位（19 mV）、良好的亲水性（40.6^◦）和局部光生空穴积累，具有高效的细菌捕获效率。用优化的复合纳米片制作的膜过滤器在模拟阳光下进行流动光催化实验 30 min内，对大肠杆菌的捕菌和杀菌效率非常高（几乎达到 100%）。这项工作不仅提出了连续超薄ZIF-8层锚定到二维导电材料上的合理结构设计，还为金属有机框架在饮用水光催化消毒中的应用开辟了新途径。
 

Fig 1. (a) Ti3C2 MXene、ZIF-8/MXene/ZIF-8、ZIF-8/MXene/ZIF-800 和模拟 ZIF-8 的 PXRD 图样。(b) ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的 TEM 图像。(c) ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的原子力显微镜图像和相应的高度剖面。(d) 基于 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的 TEM 结果的核心 Ti3C2 MXene 和整个 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 厚度的统计分布。(e) ZIF-8/MXene/ZIF- 8-300 的暗场 STEM 和相应的元素图谱图像。
 

Fig 2. ZIF-8/MXene/ZIF-8 和随温度变化的 ZIF-8/MXene/ZIF-8-X 的 SEM（上）和 TEM（下）图像。
 

Fig 3. (a) Ti3C2 MXene、Ti3C2 MXene-300 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的钛 2p 高分辨率 XPS 光谱。(b) ZIF-8、ZIF-8-300 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的 Zn 2p 高分辨率 XPS 光谱。(c) Ti3C2 MXene、Ti3C2 MXene-300、ZIF-8-300 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的 O 1s 高分辨率 XPS 光谱。(d) Ti3C2 MXene、Ti3C2 MXene-300、ZIF-8-300 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的 O Kedge XAS 光谱。(e-f）Zn 箔、ZIF-8、ZIF-8-300、ZIF-8/MXene/ZIF-8 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8 的 Zn K 边 XANES（e）和 EXAFS 傅立叶变换光谱（f）。(g) ZIF-8、ZIF-8-300、ZIF-8/MXene/ZIF-8 和 ZIF-8/ MXene/ZIF-8-300 的优化局部结构。
 

Fig 4. (a) 相同制备的样品在模拟太阳光照射和黑暗条件下的消毒性能比较。(b) 在模拟太阳光照射下 90 分钟，制备的样品对大肠杆菌的光催化灭活效率。误差条通过重复测量三次计算得出。
 
 
Fig 5. (a-b）ZIF-8、ZIF-8-300、ZIF-8/MXene/ZIF-8 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的紫外可见 DRS 光谱（a）和陶氏图（b）。(c) ZIF-8 和 ZIF-8-300 的莫特-肖特基图。(d) ZIF-8/MXene/ZIF-8 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的带状结构。(e) ZIF-8/MXene/ZIF-8 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 上可能的 ROS 形成过程示意图。(f) 在模拟阳光照射 60 分钟后，ZIF-8/MXene/ZIF-8 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的 ¹O₂ 的 EPR 光谱。 (g) 在有和没有模拟阳光照射的情况下，ZIF-8/MXene/ZIF-800 的 ⋅O₂^- 的 EPR 光谱。(h) ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 与清除剂的光催化消毒性能。误差条通过重复测量三次计算得出。
 

Fig 6. (a) ZIF-8 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的瞬态光电流响应。(b) 在 0.5 M Na2SO4（pH≈7）溶液中模拟阳光照射下测量的 EIS 光谱的奈奎斯特图。
 

Fig 7. 模拟太阳光照射下 ZIF-8、Ti3C2 MXene、ZIF-8/MXene/ZIF-8 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的热图像（a）和光热加热曲线（b）。
 

Fig 8. (a) ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 样品的接触角。(b) 大肠杆菌和制备样品的 Zeta 电位。(c) ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 样品在模拟阳光照射下的抗菌机理示意图。(d-e）在模拟阳光照射下，加入 AgNO3 溶液（20 μL 0.3 M）前后，ZIF-8/MXene/ZIF-8（d）和 ZIF-8/MXene/ZIF-800（e）电极在 0.5 M Na2SO4 水溶液中的瞬态光电流响应。(f) ZIF-8、ZIF-8-300、ZIF-8/MXene/ZIF-8 和 ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 的 PL 发射光谱（激发波长为 532 nm）。
 

Fig 9. (a) 用于饮用水消毒的流动光催化系统示意图。(b) ZIF-8/MXene/ZIF- 8-300 薄膜在模拟循环光催化系统中连续三个周期的饮用水消毒性能。(c-d) ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 薄膜在饮用水消毒实验之前（c）和之后（d）的扫描电镜图像（插图：ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 薄膜的相应光学照片）。(e) 在模拟阳光照射和黑暗条件下，ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 薄膜上的大肠杆菌残留量。(f) ZIF-8/MXene/ZIF-8-300 薄膜在不同温度（0 ℃ 和 40℃）下经模拟阳光照射 60 分钟后的饮用水消毒性能。误差条通过重复测量三次计算得出。
 
       相关研究工作由浙江工业大学Rui Li和Wang Zhang 课题组于2024年共同发表在《Water Research》期刊上，andwich-structured continuous ZIF-8/Ti3C2 MXene/ZIF-8 for efficient sterilization: Enhanced photocatalytic activity, photothermal effect, and environmental safety，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121888

转自《石墨烯研究》公众号