耦合 Cu2O 簇与亚胺连接 COFs 的微滤膜：实现快速高效且稳定的水杀菌新突破

在细菌污染危机加剧的当下，研究人员针对提升水杀菌效率展开 “耦合 Cu2O 簇与亚胺连接 COFs 于微滤膜” 的研究。结果显示，该膜水通量达 16000 LHM bar，杀菌及抗污染性能优异。这为水杀菌及膜技术发展提供新思路。

　　在当今社会，水的安全问题至关重要，细菌污染成为威胁水质的一大 “顽疾”。在医疗保健、食品加工、畜牧养殖等众多领域，水中细菌污染的消除已成为核心安全指标。微滤膜技术作为一种高效、可持续的消毒方式，具有高通量、低能耗、无化学残留的优势，本应是解决水杀菌问题的 “利器”，然而细菌污垢却成了它的 “绊脚石”。细菌污垢不仅会增加液压阻力，还会促使细菌大量繁殖，严重影响微滤膜的长期有效性和可持续性。传统的解决办法是在聚合物膜中添加高效无机光催化剂，但聚合物基底与无机氧化剂之间兼容性差，容易导致材料脱落和磨损，难以满足实际应用需求。在此背景下，一项新的研究应运而生。

东南大学的研究人员针对上述难题，开展了将超薄的 TbPa（一种亚胺连接的共价有机框架，Covalent Organic Frameworks，COFs）层和纳米尺寸的 Cu₂O 簇依次沉积在聚醚砜（Polyethersulfone，PES）微滤膜上的研究。研究成果发表在《Nature Communications》上，为水杀菌和膜技术的发展带来了新的曙光。

研究人员采用了多种关键技术方法。在材料制备方面，运用气相沉积法在 PES 膜上合成 TbPa 层，再通过光沉积策略将 Cu₂O 簇均匀锚定在 TbPa 层上。在性能测试环节，利用多种光谱技术，如傅里叶变换红外光谱（FT - IR）、X 射线光电子能谱（XPS）等对材料进行表征；通过紫外 - 可见漫反射吸收光谱（UV - vis）、光电流测试、电化学阻抗谱（EIS）等手段评估材料的光电性能；借助抗菌测试、细菌活 / 死染色、生物膜染色等实验检测材料的杀菌和抗生物膜性能；采用水接触角（WCA）测量、死端过滤实验来研究膜的过滤和抗污染性能。

下面来看具体的研究结果：

• 合成与表征：通过气相沉积法成功在 PES 膜上制备出 TbPa 层，再经光沉积锚定 Cu₂O 簇。FT - IR 分析表明单体通过席夫碱反应发生缩合，XPS 分析证实 Cu 以一价态存在，且 Cu₂O 锚定改变了 N - C 和 N = C 键的电子云密度。X 射线粉末衍射（PXRD）显示 TbPa 呈现 A - A - 重叠堆积。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表明沉积的 Cu₂O/TbPa 层厚度约 10 nm，对膜孔径影响小。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF - STEM）和能量色散 X 射线光谱（EDX）映射显示 Cu₂O 簇直径约 0.25 nm，在 TbPa 表面均匀分散。
• 光电性能：Cu₂O 簇的均匀锚定使 TbPa 的吸收边显著红移，拓宽了可见光响应范围，其带隙能量约为 2.52 eV。UPS 和 Mott - Schottky 分析确定了 TbPa 的能带结构，其价带能量足以氧化水分子产生羟基自由基（?OH），并将水中溶解氧转化为 H₂O₂。光电流测试和 EIS 分析表明 Cu₂O 簇促进了光生电子传输，降低了传输电阻。光致发光光谱（PL）显示 Cu₂O 簇抑制了光生载流子的复合。
• 杀菌和抗生物膜性能：研究发现，Cu₂O/TbPa/PES 膜的抗菌效果并非源于铜离子的释放。随着 Cu₂O 含量增加，复合材料的细菌灭活效率先升后降，当铜含量为 0.74 μg g^-1时，杀菌效果最佳。该膜能在 25 分钟内有效灭活 10⁵ CFU mL^-1的大肠杆菌，30 分钟内灭活相同浓度的金黄色葡萄球菌。扫描电镜和细菌细胞活 / 死染色结果显示，该膜通过产生 ROS 破坏细菌细胞膜，实现高效杀菌。此外，该膜对生物膜也有显著的去除效果，3D - CLSM 分析表明它能显著破坏大肠杆菌生物膜，使生物膜厚度明显降低，膜内活菌近乎完全消失。
• 过滤和抗污染性能：WCA 测量表明，TbPa 的沉积使膜的亲水性降低，而 Cu₂O 簇的锚定使亲水性部分恢复。死端过滤实验显示，Cu₂O 簇的锚定显著提高了膜的渗透率，达到 16000 LHM bar。在抗污染测试中，Cu₂O/TbPa/PES 膜在被细菌污染后，经光照 30 分钟，通量几乎完全恢复，且在 10 次循环后仍保持 98.6% 的高通量恢复率，展现出卓越的抗生物污染能力。

研究结论表明，通过气相沉积和光沉积相结合的方法合成的 Cu₂O/TbPa/PES 膜在细菌灭活方面表现出色。Cu₂O 簇的原位光沉积增强了 TbPa 的载流子传输效率，促进了?OH 的生成，显著提高了膜的杀菌效果，能实现 5 - log 菌落形成单位的细菌去除率，并有效去除超过 98% 的生物膜。同时，该沉积改善了 TbPa 的疏水界面特性，维持了膜的高通量性能，使其在细菌污染导致通量下降后能完全恢复，且在 10 次循环操作中表现稳定。这项研究展示了光催化技术在解决膜污染问题上的巨大潜力，为光催化微滤膜在可持续水杀菌领域的应用提供了新的途径，有望推动水净化技术的进一步发展，保障人们的用水安全。