CuO/MWCNTs-硝基苯硫酯纳米复合体的水热合成：作为兼具氧气演化反应催化功能和抗菌特性的双功能催化剂

《Journal of Hydrology X》：Hydrothermal Synthesis of CuO/MWCNTs-nitrobenzene thioester Nanocomposite as Bifunctional Catalysts for Oxygen Evolution Reaction and Antibacterial Properties

纳米复合材料CuO/MWCNTs-4-硝基苯甲酸酯的制备及其氧析氢反应与抗菌性能研究。通过水热法将肉桂树皮提取物作为双功能催化剂，合成该材料并表征其结构。结果显示其通过产生活性氧（ROS）和抑制拓扑异构酶II及转录过程实现高效抗菌，对铜绿假单胞菌等五种细菌抑菌圈达8-10毫米。同时，材料在碱性电解质中OER过电位低至549毫伏，电荷传输效率提升。该催化剂兼具能源转换与生物医学应用潜力，环境友好且成本可控。

　　这项研究聚焦于一种新型的纳米复合材料——CuO/MWCNTs-硝基苯硫酯，其合成方法采用水热法，并以肉桂（Cinnamomum verum）的水提取物作为双功能催化剂，同时具备氧气析出反应（OER）催化和抗菌性能。该材料展现出卓越的效率，不仅在催化反应中表现出优异的性能，还在抗菌领域表现出显著的潜力。研究通过多种分析手段，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX），对纳米复合材料的物理和化学特性进行了全面的分析。结果显示，Cu(I)能够增强过氧化氢（H?O?）的分解，生成具有毒性的羟基自由基（·OH），从而通过类芬顿反应机制提高材料的抗菌能力。此外，CuO的加入显著增强了纳米复合材料的微生物活性，使其在多种细菌的抑制中表现出色。

研究还强调了这种材料在可持续能源和生物医学领域的广泛应用前景。CuO作为一种p型半导体材料，其具有良好的催化活性，这主要归因于其窄的带隙和高表面积比。然而，CuO在实际应用中存在一些挑战，如电子-空穴对的快速复合以及材料的稳定性不足。为了解决这些问题，研究通过将CuO纳米颗粒附着在MWCNTs上，优化了其电荷传输性能，从而提升了催化效率。进一步地，将4-硝基苯硫酯（4-NBT）引入MWCNTs表面，并与CuO纳米颗粒进行相互作用，形成了具有更高催化和抗菌性能的纳米复合材料。4-NBT中含有硝基基团（-NO?），该基团能够促进光生电子-空穴对的分离，提高催化效率。同时，4-NBT还能通过破坏细菌细胞过程和抑制细菌生长，提供抗菌性能。

研究中还提到，这种纳米复合材料含有硝基基团，能够生成活性氧物种（ROS），导致微生物细胞的氧化应激，进而引发蛋白质和DNA的损伤。ROS的过量积累会干扰细胞膜的正常功能，影响细胞的生理活动。因此，这种纳米复合材料在抗菌和催化方面都具有独特的优势。此外，该材料在体外实验中对多种细菌菌株，包括耐抗生素细菌，表现出良好的抗菌效果，其抗菌活性达到60μL/disc的水平。同时，该材料在抗真菌实验中也显示出一定的效果，对四种常见真菌感染，如M. phaseolina、R. solani、F. solani和F. oxysporum，抑制效果分别为6mm、6mm、10mm和8mm。这种抑制效果表明，该材料在抗菌领域具有广泛的应用潜力。

在抗氧化性能方面，RM-1（MWCNTs-硝基苯硫酯衍生物）和RM-2（CuO/MWCNTs-硝基苯硫酯纳米复合材料）均表现出抗氧化潜力，并且这种潜力随着时间的推移而增强。研究发现，在1分钟时，RM-2表现出较高的抗氧化水平，而在30分钟时，其抗氧化能力进一步提升，与对照组（无样品）相比，表现出显著差异。这表明，这种纳米复合材料不仅在催化和抗菌方面具有优势，还可能在抗氧化领域发挥重要作用。

在电极制备方面，研究采用了镍泡沫作为基底，通过超声处理去除了表面杂质，然后在烘箱中干燥。随后，将25mg的合成样品与1mL去离子水和Nafion粘合剂混合，制备成工作电极。这种电极被用于测试OER性能，其在碱性溶液中表现出良好的电化学特性。通过电化学阻抗谱（EIS）测量，发现该电极在界面处具有快速的电荷转移能力，这有助于提高催化效率。研究还指出，这种纳米复合材料在OER性能方面表现出色，其在1M KOH电解液中展现出较低的过电位和较高的电流密度，这表明其在清洁能源生产方面具有应用潜力。

在体外实验中，该纳米复合材料对线虫表现出显著的杀灭效果。研究发现，RM-1（MWCNTs-硝基苯硫酯衍生物）和RM-2（CuO/MWCNTs-硝基苯硫酯纳米复合材料）均在不同时间间隔内对线虫幼虫阶段的死亡率产生影响，其中两种材料均显示出50%的死亡率。这表明，该材料在生物防治领域同样具有广泛的应用前景。

研究团队还通过实验验证了这种纳米复合材料的多功能性，其不仅能够作为高效的OER催化剂，还能在抗菌和抗真菌领域表现出色。此外，该材料在抗氧化方面也具有一定的潜力，能够有效清除自由基，保护细胞免受氧化损伤。这些特性使其在多个领域中都具有重要的应用价值。

研究过程中，采用了多种分析技术对材料的物理、形态、光学和抗菌性能进行了全面的表征。其中，FTIR用于分析材料的化学结构，XRD用于确定材料的晶相，SEM用于观察材料的表面形貌，EDX用于分析材料的元素组成。这些技术的应用使得研究团队能够准确地评估材料的性能，并为其在实际应用中的优化提供依据。

此外，研究还强调了这种纳米复合材料的制备方法具有简便性和可扩展性，这为其在工业生产中的应用提供了便利。同时，该材料具有成本效益和环保性，这使其在可持续发展方面具有重要意义。研究团队通过实验发现，这种材料在不同环境条件下的稳定性较高，能够有效维持其催化和抗菌性能，这进一步增强了其应用价值。

在抗菌性能的评估中，研究团队测试了该材料对多种常见细菌菌株的抑制效果，包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、沙门氏菌（Salmonella typhimurium）、大肠杆菌（Escherichia coli）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）。结果显示，该材料对这些细菌均表现出良好的抗菌效果，其抗菌活性达到60μL/disc的水平。这种抗菌能力不仅源于材料的物理结构，还与其中的化学成分密切相关，特别是硝基苯硫酯和CuO纳米颗粒的协同作用。

在生物医学领域的应用中，这种纳米复合材料表现出良好的抗菌性能，能够有效抑制细菌的生长，同时对细菌的DNA和蛋白质造成破坏。这种双重作用机制使其在抗菌治疗中具有显著的优势。此外，该材料还能够通过抑制拓扑异构酶II的活性，阻止细菌的转录过程，从而进一步增强其抗菌效果。这些特性使其在医疗领域中具有重要的应用潜力，特别是在抗菌药物研发和生物医学材料设计方面。

在可持续能源领域的应用中，这种纳米复合材料能够有效促进水的光解，生成清洁的氢燃料。这种应用不仅能够减少对化石燃料的依赖，还能为清洁能源的发展提供新的思路。研究团队通过实验发现，该材料在OER性能方面表现出色，其在碱性溶液中展现出较低的过电位和较高的电流密度，这表明其在水裂解反应中具有较高的催化效率。此外，该材料的电荷转移能力较强，这有助于提高其在实际应用中的性能。

在环境治理方面，这种纳米复合材料能够有效去除水中的污染物，净化环境。其抗菌性能和催化性能使其在水处理和环境消毒中具有广泛的应用前景。此外，该材料的环保性和可降解性使其在可持续发展方面具有重要意义，能够减少对环境的污染，提高资源利用效率。

综上所述，这项研究展示了一种具有多功能性的纳米复合材料——CuO/MWCNTs-硝基苯硫酯，其在OER催化、抗菌、抗真菌和抗氧化等多个领域均表现出显著的性能。这种材料的制备方法简便且可扩展，其成本效益和环保性使其在实际应用中具有重要的价值。研究团队通过实验验证了该材料的性能，并为其在生物医学、可持续能源和环境治理等领域的应用提供了理论依据。未来，这种材料有望在更多领域中得到应用，为人类社会的发展做出贡献。