单原子增强膜用于现场水处理中细菌与重金属同步去除的创新研究

《Chem》：Single-atom-enhanced membrane for simultaneous bacteria and heavy metal on-site water treatment

本研究针对偏远地区清洁水获取难题，开发了基于锰单原子修饰石墨烯（Mn-NGCOOH）的便携式过滤膜。该系统通过羧基配位与细菌膜多糖特异性结合，实现一步法同步去除细菌（效率>99.999%）和重金属（Pb2+吸附量661 mg·g-1），且无需电力支持即可重复使用20次以上，为应急供水提供了突破性解决方案。

　　

在全球范围内，清洁饮用水短缺问题正持续加剧，据世界卫生组织报告，约有22亿人无法获得安全饮用水。尤其在水资源基础设施薄弱的偏远地区和灾后现场，传统水处理技术因依赖电力、复杂设备或化学试剂而难以适用。更严峻的是，自然水体中细菌与重金属的复合污染日益普遍，如恒河、密西西比河等主要河流均检测到病原菌与铅、镉等有毒金属共存，对公共卫生构成双重威胁。

现有净化技术存在明显局限性：氯消毒会产生致癌副产物，紫外辐射需持续供电，纳米材料过滤往往仅针对单一污染物。更棘手的是，部分细菌会发展出抗药性，在消毒不彻底时快速再生。因此，开发一种能同步去除多种污染物、无需外部能源且可重复使用的便携式净化系统，成为环境工程领域的迫切需求。

在此背景下，帕拉茨克（David Panácek）团队在《Chem》期刊发表了一项突破性研究。他们通过单原子工程技术，将锰原子精准锚定在氮掺杂石墨烯的羧基位点（Mn-NGCOOH），构建出三层结构的过滤膜。该膜仅需手动真空泵驱动，即可在单次过滤中实现>99.999%的细菌去除率和每克材料661毫克铅离子的吸附容量，且经20次再生循环后仍保持90%以上效率。这种将原子级精度材料科学与实际应用需求相结合的策略，为偏远地区安全供水提供了全新范式。

研究团队通过三个关键技术阶段实现目标：首先利用氟化石墨烯与叠氮化钠反应合成氮掺杂羧基化石墨烯（NGCOOH），通过X射线光电子能谱（XPS）证实其含5.52%氮原子和23.73%氧原子；随后通过锰离子配位形成单原子分散的Mn-NGCOOH，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）检测显示锰负载量达2%；最后将NGCOOH与Mn-NGCOOH交替沉积于纤维素滤纸形成三明治结构膜，扫描电镜（SEM）显示涂层厚度为10微米。

单原子增强过滤：合成、结构与滤膜构建

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析发现，Mn-NGCOOH与细菌作用后羧酸盐振动峰（1600 cm^-1）强度显著增加，表明锰原子与细菌膜多糖羟基形成配位键。透射电镜（TEM）元素 mapping 证实锰原子在石墨烯表面呈均匀单分散状态，未形成纳米颗粒。

一步法细菌与重金属去污

在重金属吸附方面，NGCOOH对Pb²⁺和Cd²⁺的吸附容量分别达661 mg·g^-1和248 mg·g^-1，显著优于传统吸附剂。竞争吸附实验表明，即便在含钙、镁离子的真实水体中，其对铅镉的选择性吸附仅下降约20%，这源于羧基与中等软酸金属（Pb²⁺/Cd²⁺）的特异性结合能力。

对于细菌去除，Mn-NGCOOH膜对大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）等常见水媒病原体的过滤效率均超过99.999%，且在与重金属共存条件下未出现协同抑菌或抗作用。团队通过比较六种过渡金属（Mn、Fe、Cu、Zn、Ni、Co）后发现，锰原子因与细菌外膜多糖具有最强结合力而表现最优。

讨论与结论

该研究首次将单原子催化剂的精准特性应用于水净化领域，通过锰原子与细菌膜多糖的定向配位、羧基与重金属离子的强络合作用，实现了多污染物同步去除。这种“原子陷阱”机制避免了抗生素耐药性发展风险，且锰的生物相容性优于银、镍等传统抗菌材料。滤膜的可再生特性（20次循环后效率>90%）大幅降低了使用成本，而无需外部能源的操作模式使其在灾害救援、偏远社区等场景具有突出优势。

与现有技术相比，该系统在净化效率（99.999% vs 传统电场处理的95%）、能耗（手动 vs 电力依赖）和功能集成（同步去污 vs 单一功能）方面均实现突破。研究团队指出，未来可通过调整单原子种类（如铜、锌）拓展污染物去除谱系，或通过优化膜结构提升流速。这项成果不仅提供了具体技术方案，更展示了原子级材料设计在解决全球性环境挑战中的巨大潜力，为联合国可持续发展目标中“清洁饮水和卫生设施”目标的实现提供了新路径。