纳米结构ZnO涂层作为抗病毒表面：合成方法对光催化效率的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Nanostructured ZnO Coatings as Antiviral Surfaces: Influence of Synthesis Methodology on Photocatalytic Efficiency

ZnO纳米线涂层通过溶胶-凝胶法、水热法和气溶胶辅助化学气相沉积（AACVD）制备，比较了不同方法对结构、光学和抗病毒性能的影响。AACVD涂层结晶度高、[001]取向一致，在1000lux白光下2小时实现MS2噬菌体99.99%灭活，优于溶液法2对数效果。结论指出AACVD在可扩展性和性能优化方面更具优势。

　　锌氧化物（ZnO）因其优异的化学稳定性和光电子特性，被广泛认为是一种具有高度应用潜力的金属氧化物。近年来，ZnO纳米结构（NSs）因其独特的物理化学性质，在抗菌、抗病毒等领域的研究中引起了广泛关注。特别是在应对病毒传播的挑战中，ZnO纳米结构薄膜因其高效的光催化性能和表面活性，展现出巨大的应用前景。本研究通过比较三种不同的制备方法，即溶液法（溶胶-凝胶法和水热法）以及气相沉积法（气溶胶辅助化学气相沉积，AACVD），评估了其对ZnO纳米结构薄膜结构、光学性能和抗病毒效果的影响，尤其是在常温白色光源（约1000 lux）条件下对MS2噬菌体的灭活能力。

研究发现，AACVD方法在结构和光学性能方面表现出了显著的优势。通过AACVD制备的ZnO薄膜具有高度结晶性、均匀性和良好的[001]取向生长，这为后续的光催化性能提供了坚实的基础。相比之下，溶液法虽然在成本和操作简便性上具有优势，但其制备的ZnO纳米结构在结构和光学性能上表现出部分非晶态特征以及由于碳污染导致的带隙蓝移现象。这种非晶态结构和带隙变化可能会对光催化效率产生负面影响，从而降低其抗病毒能力。

在抗病毒测试中，AACVD方法制备的ZnO薄膜在2小时内实现了MS2噬菌体感染力的4个对数级减少（即99.99%的灭活率），这一效果显著优于溶液法所制备的薄膜，后者仅实现了2个对数级的灭活（约99%）。这表明，AACVD方法不仅在结构和光学性能上优于其他方法，而且在实际应用中也展现出更高的抗病毒效率。这一结果进一步验证了AACVD方法在制备高性能ZnO基抗病毒材料方面的潜力。

ZnO纳米结构的抗病毒性能与其表面性质密切相关。ZnO纳米结构可以通过多种方式影响病毒的活性，包括光诱导的氧化应激反应和Zn2?离子的释放。在光照条件下，ZnO纳米结构能够产生大量的活性氧物种（ROS），这些ROS能够破坏病毒的包膜结构，从而实现对病毒的有效灭活。此外，ZnO纳米结构在酸性和碱性水溶液中可以释放出Zn2?离子，这些离子能够穿透细胞壁，干扰病毒的复制过程。值得注意的是，Zn2?离子的释放在低浓度下对人类是安全的，因此ZnO纳米结构在抗病毒应用中具有较高的安全性。

然而，ZnO纳米结构在实际应用中也面临一些挑战。例如，Zn2?离子的释放可能会引发潜在的细胞毒性，尤其是在溶液环境中。因此，在将ZnO纳米结构应用于液体或溶液体系时，需要谨慎考虑其对环境和生物体的影响。此外，纳米结构材料的制备过程往往伴随着大量的有机残留物和反应副产物，这些物质不仅可能影响最终材料的性能，还需要进行适当的回收和处理，以减少环境污染。

为了克服这些挑战，研究者们正在探索更高效、更环保的制备方法。AACVD方法作为一种气相沉积技术，能够在不使用种子层或晶体模板的情况下，直接在基底上形成ZnO纳米结构薄膜。这种方法不仅简化了制备过程，还避免了干燥或烧结步骤，从而减少了表面重构效应。同时，AACVD方法能够在无溶剂环境中进行，使制备过程更加清洁和高效。此外，AACVD方法还能够将纳米结构薄膜沉积在非晶态基底上，这一特性在传统化学气相沉积（CVD）方法中是难以实现的。

在本研究中，ZnO纳米结构薄膜的制备采用了三种不同的方法：溶液法（溶胶-凝胶法和水热法）以及AACVD。其中，溶胶-凝胶法和水热法通常需要使用有机表面活性剂和极性溶剂来促进纳米结构的纵向生长。然而，这些方法在制备过程中会产生较多的有机残留物，影响最终材料的纯度和性能。此外，这些方法通常需要较长的干燥或烧结时间，以去除残留的有机物，这可能会增加生产成本和时间。

相比之下，AACVD方法在制备过程中能够实现对前驱体和溶剂的精确控制，从而避免了有机残留物的产生。这种方法利用气溶胶雾滴作为前驱体的输送介质，通过热激活在反应室内进行气相反应。在反应过程中，表面活性剂和副产物可以通过排气系统被有效去除，从而保证了最终材料的高纯度和高度结晶性。这种制备方式不仅提高了材料的性能，还简化了工艺流程，降低了生产成本，使其在大规模生产中更具可行性。

此外，ZnO纳米结构的形态和尺寸对其抗病毒性能也具有重要影响。研究表明，ZnO纳米结构的表面电荷和尺寸会显著影响其对病毒的杀灭效果，其中长条形的纳米棒（NRs）表现出更强的抗病毒能力。这是因为纳米棒的长径比较大，能够提供更多的活性表面，从而增强光催化反应的效率。同时，纳米棒的结构有助于Zn2?离子的释放，进一步提高其抗病毒性能。因此，在制备ZnO纳米结构薄膜时，控制其形态和尺寸是实现高效抗病毒性能的关键。

本研究的结果表明，AACVD方法在制备ZnO纳米结构薄膜方面具有显著的优势。通过AACVD制备的ZnO薄膜不仅具有高度的结晶性和均匀性，而且在光照条件下表现出优异的光催化性能，能够有效灭活MS2噬菌体。这些优势使得AACVD方法成为一种可行的、高效的制备高性能ZnO基抗病毒材料的技术。此外，AACVD方法还能够将纳米结构薄膜沉积在多种基底上，包括非晶态基底，这为实际应用提供了更大的灵活性。

在实际应用中，ZnO纳米结构薄膜可以用于多种场景，如空气过滤、液体净化和表面消毒等。由于其良好的光催化性能和抗病毒效果，ZnO纳米结构薄膜在医疗、食品加工和公共设施等领域具有广泛的应用前景。特别是在当前全球面临病毒传播风险的背景下，ZnO纳米结构薄膜作为一种新型的抗病毒材料，能够为疫情防控提供有效的技术支持。

然而，尽管AACVD方法在制备ZnO纳米结构薄膜方面表现出诸多优势，但其在实际应用中仍需进一步优化。例如，如何在不同的基底上实现均匀的纳米结构生长，如何提高薄膜的附着力和稳定性，以及如何在大规模生产中保持材料的一致性等，都是需要解决的问题。此外，还需要进一步研究ZnO纳米结构薄膜在不同环境条件下的长期稳定性和抗病毒效果，以确保其在实际应用中的可靠性。

综上所述，ZnO纳米结构薄膜作为一种新型的抗病毒材料，具有广阔的应用前景。通过比较不同的制备方法，本研究发现AACVD方法在结构、光学和抗病毒性能方面均优于溶液法。这一结果为未来ZnO基抗病毒材料的开发提供了重要的理论依据和技术支持。同时，研究还指出，进一步优化AACVD方法以及深入探索ZnO纳米结构的抗病毒机制，将有助于推动该材料在实际应用中的发展。