便携式设备中光阳极的合理设计：提升H2O2产量以优化微环境控制

氢过氧化物（H?O?）生产光阳极通过Mo掺杂BiVO?和Co-py共催化剂优化，实现8.4 μmol·h?1·cm?2的H?O?产量，较原始材料提升1.8倍。该便携式PEC设备生成的H?O?溶液对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有显著抗菌活性，同时低毒，适用于医疗微环境控制。

　　本研究探讨了一种基于光电催化（PEC）原理的创新方法，用于高效地从水（H?O）中生产过氧化氢（H?O?）。H?O?作为一种多功能氧化剂，在医疗领域具有广泛的应用，包括伤口消毒、医疗器械灭菌和口腔抗菌等。然而，传统的H?O?生产方法，如蒽醌氧化工艺，存在高能耗、依赖有毒溶剂以及H?O?自身稳定性差等问题，这些因素限制了其在资源匮乏地区或紧急情况下的广泛应用。因此，开发一种简单、便携且能够持续生产H?O?的设备显得尤为重要。

本研究提出了一种合理的光电阳极设计策略，通过Mo掺杂的BiVO?薄膜和钴卟啉（Co-py）分子的协同催化作用，显著提升了H?O?的生产效率。BiVO?作为一种可见光响应型半导体材料，具有良好的带边特性，适用于水氧化反应。然而，其在H?O?生成方面的选择性和效率仍存在不足，主要受限于光激发电荷迁移效率低以及对H?O?生成的催化能力有限。为解决这些问题，研究团队采用Mo掺杂策略来优化BiVO?的能带结构，并引入Co-py分子作为表面共催化剂，以促进H?O?的生成和脱附。

通过实验分析和理论模拟，研究发现Mo掺杂能够有效调控BiVO?的费米能级对齐，降低其工作函数（Wf），从而改善电荷迁移性能。Co-py分子则通过稳定羟基自由基（•OH）中间体，促进H?O?的形成和释放，从而提高催化效率。实验结果显示，3Mo@BVCP光电阳极在1.7 V（相对于可逆氢电极，V_RHE）的电压下，H?O?的生产速率达到8.4 μmol·h?1·cm?2，是未掺杂BiVO?光电阳极的1.8倍。这一结果不仅表明Mo掺杂和Co-py分子的协同作用显著提升了H?O?的生成效率，也展示了该系统在实际应用中的潜力。

进一步的实验分析表明，该系统能够有效地灭杀两种常见细菌——金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）。在实验中，仅需5 μL的H?O?溶液即可显著抑制这两种细菌的增殖，且即使在24小时的共培养实验中，该溶液对小鼠海马神经元细胞（HT-22）的细胞毒性仍保持在极低水平。这表明，该系统在抗菌效果和生物相容性之间取得了良好的平衡，为未来在医疗环境中控制微生物污染提供了新的解决方案。

在材料表征方面，研究采用了X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）以及扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段，全面分析了Mo@BVO和3Mo@BVCP光电阳极的结构和化学特性。结果表明，Mo掺杂不仅增强了BiVO?的晶格结构，还改善了其电子特性，而Co-py分子的均匀负载则进一步优化了表面反应动力学。通过电化学阻抗谱（EIS）和瞬态光电流分析，研究团队确认了3Mo@BVCP光电阳极在电荷分离和转移方面的显著优势，其电荷迁移效率比BiVO?提高了2.0倍，表明该系统具备优异的电荷传输性能。

密度泛函理论（DFT）模拟进一步揭示了该系统在反应动力学上的优化。模拟结果显示，Mo掺杂使水分子在光电阳极表面的吸附能提高了0.19 eV，而Co-py分子的引入则使H?O?的吸附能降低了0.04 eV，表明其在促进H?O?生成和减少表面钝化方面发挥了重要作用。此外，DFT模拟还表明，3Mo@BVCP光电阳极在水氧化反应中具有更低的能垒，从而加快了反应速率并提高了选择性。

为了验证该系统的实际应用价值，研究团队将其开发为一种便携式设备，并进行了广泛的抗菌测试。结果显示，该设备能够在不使用有毒溶剂的情况下，利用太阳能驱动H?O?的生成，且生成的H?O?具有显著的抗菌能力。同时，该设备在生成H?O?的同时，对哺乳动物细胞（如HT-22细胞）的毒性极低，表明其在生物相容性方面具有优势。这一特性使得该系统在医疗环境中具有广阔的应用前景，尤其是在缺乏先进医疗设施的地区，能够提供一种安全、高效且可持续的微生物控制手段。

此外，研究还探讨了该系统在长期稳定性方面的表现。实验表明，3Mo@BVCP光电阳极在长时间运行后仍能保持较高的催化活性，其电流密度在60分钟的照射后仅下降不到3%，远优于未掺杂的BiVO?和Mo@BVO。这一结果说明，该系统不仅在短时间内具有优异的性能，而且具备良好的长期运行稳定性，适合用于需要持续供能的场景。

总体而言，本研究通过合理的光电阳极设计，结合Mo掺杂和Co-py分子的协同作用，成功开发了一种高效、安全且便携的H?O?生成系统。该系统能够在不依赖外部能源的情况下，利用太阳能驱动水氧化反应，生成具有抗菌性能的H?O?溶液。同时，其对哺乳动物细胞的低毒性使其在医疗应用中具有显著优势。研究结果不仅为H?O?的可持续生产提供了新思路，也为医疗环境中微生物控制技术的发展提供了有力支持。未来，该技术有望在实际医疗设备中得到应用，为改善公共卫生条件和降低医疗成本做出贡献。