电活性TiO2-Cu纳米管平台：协同电荷调控与Cu2+释放的海洋防污新策略

本文报道了一种直流电激活的电容型铜修饰二氧化钛纳米管（TNT-Cu）复合材料，通过协同利用表面电荷诱导的静电杀菌（electrostatic sterilization）与可控Cu2+释放，实现对海洋附着生物（如三角褐指藻）的高效抑制（98.3%附着抑制率、96.0%杀藻活性）。该平台兼具高比电容特性与生态友好性，为钛基材料的海洋工程应用提供了可持续防污解决方案。

　　

材料制备亮点

铜掺杂TNTs的制备

制备流程如图1所示。将钛箔（10 mm × 10 mm × 0.1 mm）浸入1 mol/L HCl溶液3小时以去除表面氧化层和杂质，随后依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗各15分钟，晾干。阳极氧化在二电极电化学体系中进行，以钛箔为阳极、石墨片为阴极。电解液为含0.5 wt% NH₄F的乙二醇溶液，并添加3 vol%去离子水。阳极氧化在60 V恒定电压下进行2小时，之后将样品在马弗炉中450°C退火2小时（升温速率2°C/min），形成锐钛矿型TiO₂纳米管（TNT）。通过化学镀法在TNT表面沉积铜：先将TNT样品浸入0.1 mol/L SnCl₂溶液中进行敏化，再转入0.001 mol/L PdCl₂溶液活化，最后在50°C的铜镀液（含0.05 mol/L CuSO₄、0.1 mol/L EDTA二钠、0.05 mol/L HCHO，pH=12.5）中反应10分钟，形成TNT-Cu复合材料。

微观结构表征

TNT-Cu样品的表面微观结构如图2所示。扫描电镜（SEM）显示样品表面均匀分布大量球形颗粒和片状晶体（图2a、b）。能谱分析（EDS）表明铜是主要表面元素，质量分数达73.7%，原子分数为40.6%（图2d），证实通过化学镀成功在TNT表面形成连续均匀的铜涂层。X射线光电子能谱（XPS）全谱（图2e）显示样品含有Ti、O、Cu、C元素，高分辨率Cu 2p谱（图2f）在932.5 eV和952.3 eV处出现典型峰，对应Cu⁰/Cu⁺，而934.8 eV和954.6 eV处的峰及卫星峰表明存在Cu²⁺物种（如CuO/Cu(OH)₂）。截面SEM（图2c）显示TNT-Cu具有清晰的双层结构：上层为厚度约1.5 μm的铜基涂层（含Cu_xO/Cu(OH)₂），下层为垂直排列的TNT阵列（长度约3.5 μm）。这种异质结构为电荷存储和可控离子释放提供了理想框架。

结论

本研究系统评估了电流驱动TNT-Cu纳米复合材料对三角褐指藻的防污性能，并深入探讨其作用机制。通过电容特性与可控Cu²⁺释放的协同作用，该材料展现出卓越的电化学性能和强效防污能力。在扫描速率0.1 V/s时，TNT-Cu的积分电容面积是纯钛的42.5倍，且在直流充电条件下……