铁掺杂氧化锌纳米阵列实现高效非接触电穿孔水消毒技术

为解决传统电穿孔消毒技术中电荷传输效率低、电极稳定性差的问题，研究人员通过铁掺杂策略开发了Fe-ZnO NAs（铁掺杂氧化锌纳米阵列），并构建非接触电极系统（NES）。在1 V低电压和0.6 s短接触时间下，Fe3-ZnO NAs对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的灭活效率分别达6.20-log和1.69-log，显著优于未掺杂电极。该研究为低能耗、高稳定性的水消毒技术提供了新方案。

　　

水消毒是保障公共卫生安全的关键环节，但传统化学消毒法易产生有害副产物，物理方法如紫外线或膜过滤则存在效率瓶颈。电穿孔技术通过纳米结构尖端增强电场（“避雷针效应”），可在低电压下击穿微生物细胞膜，实现高效灭菌。然而，现有电穿孔电极面临导电性不足、电化学腐蚀导致的稳定性差等问题，例如铜基纳米阵列电极仅能维持10分钟有效灭菌。针对这一挑战，中国的研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，提出通过铁掺杂提升氧化锌纳米阵列（Fe-ZnO NAs）的导电性，并结合非接触电极系统（NES）突破技术瓶颈。

研究采用两步水热法合成Fe-ZnO NAs，通过X射线衍射（XRD）和电化学阻抗谱（EIS）分析材料特性，利用扫描电子显微镜（SEM）观察纳米阵列形貌。以铜泡沫为基底，对比不同铁掺杂浓度（1-3 wt%）电极的性能，并通过流式细胞术评估细菌灭活效率。

Characteristics of the Fe-ZnO NAs
Fe-ZnO NAs通过Fe³⁺间隙掺杂引入晶格缺陷，形成锌间隙和氧空位（OVs），电导率提升显著。SEM显示纳米阵列呈垂直取向生长，铁掺杂未破坏结构完整性。

Electroporation disinfection performance
在1 V电压下，Fe₃-ZnO NAs对E. coli的灭活效率达6.20-log，较未掺杂电极（1.94-log）提升3倍；对S. aureus灭活效率从<0.10-log增至1.69-log。NES系统通过物理隔离电极与水体，避免电化学反应腐蚀，30分钟连续运行后仍保持>6.00-log灭活效率。

Conclusions
该研究证实铁掺杂可优化ZnO NAs的电荷传输能力，低电压下实现高效电穿孔灭菌。NES设计解决了电极溶解难题，为实际应用提供稳定平台。其意义在于：（1）开辟半导体掺杂调控电穿孔性能的新路径；（2）为绿色水处理技术提供材料-装置协同优化范例。团队指出，未来可通过多元掺杂进一步优化纳米阵列的场增强效应，推动技术规模化应用。