光催化材料去除水中病毒的研究進展

王佳豪，李家成，許鍇，林子增，王鄭

（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210037）

2020 年席卷全球的新型冠狀病毒引發(fā)的病毒性肺炎已被認定為一種大流行病，目前疫情依然在全世界范圍蔓延。病毒對人類的健康安全構(gòu)成嚴重威脅，水中病原微生物引起的傳染病事件也屢見不鮮。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計，全球近20億人口正在飲用受糞便污染的水源[1]，面臨著感染霍亂、痢疾、傷寒、脊髓灰質(zhì)炎等水傳播疾病的風(fēng)險。病毒較細菌體積更小，感染的劑量低傳染性卻很強，在水環(huán)境中難以檢測及去除。國內(nèi)外專家針對水中致病菌的研究較多，而病毒的結(jié)構(gòu)、抗性以及失活機制與細菌有很大不同，近年來對病毒的研究也越來越受到相關(guān)人員的重視。WHO 將腸道病毒、甲肝病毒、戊肝病毒、輪狀病毒、諾如病毒等界定為飲用水中健康風(fēng)險高的病毒，腺病毒和星狀病毒的健康風(fēng)險為適中。噬菌體是一類專以細菌為宿主的病毒，由于其結(jié)構(gòu)、抗性與人類致病病毒類似，易于實驗操作且對人類無致病性，故被廣泛應(yīng)用于水中病毒指示物，其中噬菌體MS2 是最受歡迎的替代物[2]。

美國環(huán)保局（USEPA）飲用水水質(zhì)標準中對病毒指標進行了嚴格的限定，要求病毒的滅活率不低于4log（即99.99%）[3]。我國現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749—2006）對病毒的最高允許濃度沒有明確限定，而是通過濁度等指標確保飲用水水質(zhì)的安全。然而，常規(guī)水處理消毒工藝（氯化、臭氧、紫外線消毒等） 完全去除病毒是非常困難的[4]。

光催化法作為綠色高效的消毒技術(shù)，克服了傳統(tǒng)消毒方法的局限性，逐漸被應(yīng)用于水中病原體的去除，越來越多研究人員致力于開發(fā)更加高效且低成本的光催化材料。如前所述，水中病毒和細菌的去除不能一概而論，故本文綜述了近年來國內(nèi)外學(xué)者對于光催化材料應(yīng)用于去除水中病毒的研究進展，介紹了光催化技術(shù)的原理及優(yōu)勢，并指出未來光催化材料的發(fā)展趨勢，為未來光催化消毒技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

1 光催化技術(shù)的原理及優(yōu)勢

1.1 光催化的氧化和殺毒機理

光催化技術(shù)最主要的消毒機制是通過光催化劑產(chǎn)生的活性氧物種（ROS）實現(xiàn)對病毒的滅活。其原理是通過光激發(fā)TiO2、ZnO等半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電子(e-)-空穴(h+)對，并分離遷移至半導(dǎo)體表面進而引發(fā)一系列氧化還原反應(yīng)：光生電子與水中溶解氧反應(yīng)生成O·-2；O·-2可進一步與H+生成·OOH 和H2O2；空穴本身具有氧化性，其與H2O 或OH-生成·OH。這些具有強氧化性的ROS，如O·-2、·OOH、H2O2和·OH 等可以分解破壞病毒的蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)，從而滅活水中病毒。其中，O·-2和·OH 在光催化滅活病毒過程中起到主要作用。TiO2光催化原理如圖1。

圖1 TiO2光催化原理

對于細菌等微生物的滅活，可以通過·OH 等強氧化性自由基破壞細胞壁、細胞膜以及細胞質(zhì)等物質(zhì)，對細菌的多種生命結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致其死亡[5]。然而，病毒與細菌結(jié)構(gòu)形態(tài)不同，主要由蛋白質(zhì)衣殼和遺傳物質(zhì)（DNA 或RNA）組成；代謝過程也相差很大，病毒沒有獨立的代謝活性，只能利用位于蛋白質(zhì)外殼中的結(jié)合位點將自身附著于宿主，并將其遺傳物質(zhì)注入細胞的細胞質(zhì)中，然后利用宿主細胞的機制進行繁殖進一步感染。因此對病毒的光催化滅活不能簡單從蛋白質(zhì)的氧化損傷確定病毒死亡，因為它們具有在適當(dāng)條件下自我修復(fù)和再生的能力，必須破壞其遺傳物質(zhì)，從基因的角度徹底殺死病毒[6]。

1.2 光催化的優(yōu)勢

國內(nèi)外水廠現(xiàn)行消毒工藝雖能一定程度上去除病毒，然而依舊存在不足。氯消毒應(yīng)用廣泛，游離氯在水中生成的次氯酸對病毒蛋白質(zhì)外殼損傷較大，足夠高的劑量還可以破壞核酸，通過增加劑量或延長接觸時間，即提高CT 值便可有效提高滅活效果。臭氧作為強氧化劑也具有殺菌消毒作用，在去離子體水中，當(dāng)初始投加氯濃度1mg/L或臭氧濃度0.25mg/L 時，即能有效滅活MS2 噬菌體，達到USPEA 飲用水標準的4log（99.99%），實際在組合工藝中，臭氧和氯還能起到協(xié)同作用，增強對病毒的滅活效果[7]。Xue等[8]研究發(fā)現(xiàn)ClO2對人體輪狀病毒（HRV）的消毒效果優(yōu)于氯；荷蘭Berenplaat 水廠在實際的研究中發(fā)現(xiàn)，二氧化氯發(fā)揮著滅活人體腺病毒的主要作用[9]。然而這些消毒法的缺陷就是會產(chǎn)生對人類健康危害極大的消毒副產(chǎn)物(disinfection byproducts，DBPs）[10]，紫外線消毒雖無副產(chǎn)物生成，但不能持續(xù)消毒，且部分病毒對紫外線有一定抗性（如腺病毒、噬菌體MS2[11]等），因此研究出多色紫外光（雙波長UV-C 發(fā)光二極管）通過增強破壞病毒蛋白質(zhì)來提高滅活率[12-13]，但卻增加了更多的運行和維護成本。

傳統(tǒng)消毒法的局限性使得開發(fā)出高效、綠色安全且低成本的消毒技術(shù)成為當(dāng)今迫切解決的問題。光催化氧化作為一種環(huán)境友好型新消毒技術(shù)逐漸引起人們重視：其一，操作簡單、反應(yīng)條件溫和且能耗低；其二，氧化能力強、成本低廉、無毒無害；其三，半導(dǎo)體催化劑在光輻照下的穩(wěn)定性和耐久性以及高結(jié)晶度和高表面積使得這一消毒技術(shù)越來越受到研究者的青睞。

2 光催化材料

光催化作為一種新型的消毒技術(shù)，由于其具有利用太陽光的潛力而吸引了許多研究人員的關(guān)注。對于光催化材料的研究則是這項技術(shù)的關(guān)鍵，迄今為止已經(jīng)開發(fā)了許多類型的半導(dǎo)體材料，如ZnO、TiO2、WO3等應(yīng)用于有機污染物的降解和消毒等領(lǐng)域[14]。學(xué)者們一直致力于開發(fā)出高效穩(wěn)定的光催化劑，通過對半導(dǎo)體材料的改性，提高太陽能的利用率使其催化效率增強，進一步提高對病毒等微生物的滅活能力一直是光催化技術(shù)的研究熱點。TiO2光催化劑由于其良好的催化性能、經(jīng)濟性以及穩(wěn)定性，是消毒滅菌領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的光催化材料之一，已有大量研究報道圍繞著TiO2光催化劑及其改性展開。此外，近年來學(xué)者發(fā)現(xiàn)對于不含TiO2的新型光催化劑的研究同樣具有廣闊的發(fā)展前景。因此，本文主要從TiO2及TiO2基光催化劑和不含TiO2的光催化劑兩部分對光催化材料進行全面的綜述。

2.1 TiO2及TiO2基光催化劑

TiO2是一種n型半導(dǎo)體，作為光催化劑的研究已有近百年歷史[15]，TiO2在自然界中有三種晶體結(jié)構(gòu)：金紅石型、銳鈦礦型和板鈦礦型。銳鈦礦的禁帶寬度為3.23eV （388nm），金紅石為3.02eV（413nm），這兩種結(jié)構(gòu)具有較高的催化活性，銳鈦礦型活性最佳。目前普遍使用的是市場上德國Degussa公司生產(chǎn)的P-25型TiO2（約80%的銳鈦礦與20%的金紅石）[16]。然而TiO2應(yīng)用于光催化領(lǐng)域仍受到兩個主要因素的限制：①由于TiO2的禁帶較寬，只能吸收太陽光譜中4%左右波長較短的紫外光，無法有效利用太陽能；②其光生電荷和空穴復(fù)合率高，由光激發(fā)的電子和空穴在遷移至材料表面前易重組。因此，通過縮小半導(dǎo)體帶隙或抑制光生電子/空穴的復(fù)合成為提高TiO2催化效率的關(guān)鍵。對TiO2的改性有許多方法，目前用于去除水中病毒的光催化劑改性主要研究集中在金屬離子摻雜、非金屬元素摻雜、多元共摻雜和復(fù)合半導(dǎo)體材料上。

2.1.1 金屬離子摻雜

金屬，尤其是貴金屬（Au、Ag、Pt 或Pd 等）由于其獨特的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，被廣泛用于半導(dǎo)體催化劑的改性。金屬離子的摻雜會改變TiO2的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，從而提高光催化活性。一方面金屬摻入TiO2的晶格后，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生可以使光生電子和空穴有效分離的局域電場；另一方面，金屬摻入后在TiO2的帶隙間產(chǎn)生雜質(zhì)能級，成為捕獲光生電子的陷阱，從而降低電子-空穴復(fù)合率，同時由于這些雜質(zhì)能級的存在，降低了TiO2價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶所需的激發(fā)能量，使TiO2的吸收光譜擴展至可見光區(qū)，大大提高了TiO2對太陽光的利用率[17]。

Saran等[18]通過溶膠凝膠法制備Ag摻雜的TiO2，實驗表明與純TiO2和直接光解法相比，銀離子的摻雜顯著提高了所有微生物的滅活率。TiO2摻雜Ag后吸收光譜擴展至可見光區(qū)域，并且通過降低電子-空穴對的復(fù)合增加了ROS的生成。實驗2h內(nèi)完成了對屋頂收集雨水的消毒，結(jié)果顯示在摻Ag 和純TiO2固定光反應(yīng)器中分別在太陽照射45min 和60min時，觀察到MS2噬菌體的完全失活，這表明摻雜銀離子相對提高了光催化失活效率。其中表現(xiàn)出的滅活效率依次為：大腸桿菌＞MS2 噬菌體＞黑曲霉。值得一提的是，2h 后釋放的Ag 離子的總濃度約為0.009mg/L，遠低于環(huán)境保護機構(gòu)規(guī)定的允許標準水平0.1mg/L。Zheng等[19]采用靜電紡絲法制備了一維Cu-TiO2納米纖維用于噬菌體f2 的去除。在最佳摻雜比為n(Cu)∶n(Ti)=1∶8 和煅燒溫度為450℃下，初始濃度為105PFU/mL 的f2 被50mg/L 的Cu-TiO2納米纖維在可見光照射4h后完全滅活。其課題組隨后的實驗研究表明，噬菌體f2 的去除效率隨著催化劑用量、光強度和溫度的增加而增加，但隨著初始病毒濃度和HA濃度的增加而降低。在酸性條件下，光催化劑和病毒之間的靜電力得以增強，從而提高了病毒滅活效率[20-21]。

2.1.2 非金屬元素摻雜

非金屬元素（C、N、S等）的摻入使得TiO2價帶寬化上移，禁帶寬度相應(yīng)減小，吸收光譜擴展至可見光區(qū)，即提高光催化活性。目前對N摻雜的研究較多，Asahi 等[22]研究表明，氮摻雜TiO2后在可見光下的光吸收和光催化活性均明顯高于TiO2。為了解決陰離子摻雜后載流子復(fù)合問題，Li等[23]通過溶膠-凝膠法在介孔活性炭纖維模板上合成了鈀改性的氮摻雜二氧化鈦（TiON/PdO）光催化纖維，用可見光（波長大于400nm，平均強度為40mW/cm2）照射1h，通過結(jié)合黑暗條件吸附處理和可見光催化，噬菌體MS2 去除率達到99.75%～99.94%。Horovitz 等[24]通過溶膠凝膠法在200nm 孔徑的氧化鋁膜上制備了N 摻雜TiO2涂層光催化膜（PMR），研究了不同水質(zhì)下其對噬菌體MS2 的去除效果。結(jié)果表明，制備的PMR 對MS2 的滅活具有很高的效率，堿性水的pH 通過靜電排斥引起的病毒與催化劑的相互作用抑制了光催化消毒；NOM 對光催化失活表現(xiàn)出最顯著的抑制作用；靜電相互作用影響著地表水中的病毒滅活，然而當(dāng)與光催化滅活結(jié)合時，病毒去除率達到大于99.99%。

2.1.3 多元共摻雜

多元共摻雜是指將兩種及兩種以上金屬或非金屬元素摻雜復(fù)合到半導(dǎo)體催化劑上對其改性，使光催化性能增強。Choi等[25]通過溶膠凝膠法制備了一種新型的可見光誘導(dǎo)光催化劑：基于幾種摻雜過渡金屬（鐵、鎂和錳）的TiO2對流感病毒H1N1進行滅活，結(jié)果表明在可見光條件下照射30min，對H1N1 的滅活率可達到99%。Venieri 等[26]利用共沉淀法制備了Mn、Co 和二元Mn/Co 摻雜的TiO2催化劑，在模擬和自然光照射下滅活污水樣品中的MS2噬菌體。二元摻雜的催化劑在所有情況下均表現(xiàn)出最佳的光催化活性，不到20min 滅活率即達到99.9%，這表明復(fù)合摻雜劑誘導(dǎo)協(xié)同效應(yīng)的作用。不同摻雜劑濃度對滅活率有一定的影響，最高的摻雜水平并不一定導(dǎo)致噬菌體完全或快速失活。

2.1.4 染料敏化

光敏劑吸附在半導(dǎo)體的表面上，吸收可見光后形成激發(fā)態(tài)，將電子有效地轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體的導(dǎo)帶上從而激活光催化，染料敏化能將半導(dǎo)體對光的吸收拓寬至可見光范圍[27]。金屬釕絡(luò)合物染料穩(wěn)定且激發(fā)態(tài)活性高，Mac Mahon 等[28]在連續(xù)流系統(tǒng)中利用Ru(bpy)3Cl2、TiO2、ZnO 和它們的組合作光催化劑分別對水中大腸桿菌和噬菌體MS2、ΦX174、PR772 進行光催化滅活。實驗發(fā)現(xiàn)MS2 是Ru(bpy)3Cl2和TiO2光催化處理最敏感的噬菌體，引入Ru(bpy)3Cl2可以明顯提高PR772和ΦX174的失活率，并導(dǎo)致在滅活的前15min 內(nèi)將MS2 完全去除。Ru(bpy)3Cl2的存在顯著改善了ZnO 和TiO2的性能，并且Ru(bpy)3Cl2和TiO2的組合比Ru(bpy)3Cl2和ZnO的效率更高。然而在組合試驗中，釕絡(luò)合物生成單線態(tài)氧和催化劑生成·OH 之間可能會形成對光子的競爭，影響光催化效率。因此對半導(dǎo)體進行染料敏化的改性仍需進一步研究。

2.1.5 復(fù)合半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體的復(fù)合材料分為兩種：半導(dǎo)體與半導(dǎo)體復(fù)合是將另一種禁帶寬度小、導(dǎo)帶位置高的半導(dǎo)體與TiO2復(fù)合（如CdS-TiO2等），改變電子的轉(zhuǎn)移，減小電子-空穴復(fù)合率；半導(dǎo)體與絕緣體復(fù)合利用絕緣體發(fā)達的孔結(jié)構(gòu)和比表面積，增加自由基等與病毒的碰撞概率，從而提高催化率[29]。目前復(fù)合半導(dǎo)體材料對水中病毒的去除研究偏向于利用絕緣體與TiO2的復(fù)合。Liga 等[30]提出了將SiO2納米粒子對TiO2進行改性的方法，盡管SiO2改性稍微減少了·OH 的產(chǎn)生，但是由于吸附密度的增強，復(fù)合SiO2-TiO2納米材料對噬菌體MS2 滅活率有顯著提高（比未改性的TiO2高出270%）。Langmuir吸附等溫線表明，用5%SiO2改性的TiO2的最大吸附密度是未改性的37倍。Monmaturapoj等[31]采用固相反應(yīng)法制備了羥基磷灰石與TiO2的復(fù)合材料（HA/TiO2），研究其對H1N1流感病毒的滅活效果。結(jié)果表明，在0.5mg/mL下，復(fù)合物對H1N1有很強的抗病毒活性，在紫外線照射60min下，病毒滅活率最高（超過2log/h）。這兩種方法利用提高對病毒的吸附能力來增強光催化劑滅活能力，是一種簡單、廉價且綠色的方法。

2.2 不含TiO2的光催化材料

目前，對于TiO2的改性有相當(dāng)多的研究，然而不含TiO2的新型光催化劑也是光催化領(lǐng)域的研究熱點，學(xué)者們開發(fā)了諸如金屬氧化物和硫化物、無金屬材料、等離子體光催化劑及核酸適配子修飾材料等，利用可見光驅(qū)動實現(xiàn)對水中病毒的去除。

2.2.1 金屬氧化物和硫化物

Takehara 等[32]利用Pt 負載WO3制備的新型光催化劑，在照度為1000lx 的熒光燈照射下，2h 內(nèi)H1N1 病毒滅活率達到5.3log。Akhavan 等[33]制備了具有片狀表面形態(tài)的石墨烯-WO3復(fù)合薄膜（G-WO3），在對MS2 的光滅活中顯示出優(yōu)異的可見光催化性能。在室溫下照射3h 后，MS2 在G-WO3復(fù)合膜表面的光催化作用導(dǎo)致病毒蛋白幾乎完全破壞，包覆于其中的RNA 也大量流出。在20 個測量周期后，RNA 流出量的減少不到10%，這表明其長達60h 穩(wěn)定的光催化性能。Yamaguchi等[34]利用摻雜Rh 的SrTiO3作為光催化劑對噬菌體Qβ進行滅活。在可見光照射下，Rh價態(tài)從3+變?yōu)?+，同時顏色從灰色變?yōu)樽仙诩毦嬖谙氯匀挥^察到噬菌體的滅活，表明Rh4+離子有助于噬菌體的有效和選擇性滅活。Giannakis等[35]用三種不同的鐵氧化物（方鐵礦、磁赤鐵礦、磁鐵礦）對水中的噬菌體MS2 進行滅活，實驗表明與三價鐵氧化物不同，方鐵礦作為半導(dǎo)體光催化劑在無H2O2添加情況下表現(xiàn)出更好的失活動力學(xué)，超純水中30min 內(nèi)滅活率達到5log（99.999%），分析可能由于芬頓反應(yīng)的介入，F(xiàn)e2+與生成的H2O2反應(yīng)產(chǎn)生更多的·OH。磁鐵礦、納米磁赤鐵礦在光照射下加入H2O2后，非均相的光芬頓作用明顯增強了對MS2的滅活，鐵氧化物不僅作為半導(dǎo)體催化劑，同時Fe3+還原成Fe2+并與H2O2反應(yīng)生成·OH氧化破壞病毒蛋白質(zhì)外殼。鐵氧化物不僅具有磁性可分離回收的經(jīng)濟性優(yōu)勢，加入H2O2后形成的光芬頓反應(yīng)還增強了對病原微生物的滅活。Sarkar 等[36]開發(fā)了一種在單層二硫化鉬（MoS2）納米片上電噴霧沉積銀離子制備納米孔的新方法。利用電噴霧沉積的銀離子與MoS2納米片反應(yīng)，生成的富鉬缺陷在可見光下能高效地產(chǎn)生H2O2等ROS，對水中病原微生物進行有效的去除。對多種細菌菌株和病毒菌株進行了實驗，這種多孔的MoS2納米片的消毒效率比普通的提高了105倍，其在107CFU/mL 的細菌濃度和107PFU/mL 的病毒濃度下仍能提供抗菌和抗病毒活性。

2.2.2 無金屬催化材料

石墨相氮化碳（g-C3N4）是殺菌消毒領(lǐng)域中無金屬催化劑的研究熱點，研究人員開發(fā)了許多改性和復(fù)合方法來提高光催化性能。Li 等[37]通過實驗發(fā)現(xiàn)，g-C3N4在最佳濃度為150mg/L，360min可見光照射下將108PFU/mL 的MS2 完全滅活，最大達到8log 的滅活率。滅活過程中起主導(dǎo)作用的致使四種主要的RNA 基因泄露和破壞，最終導(dǎo)致病毒死亡。Cheng 等[38]采用水熱法合成了Ag3PO4/g-C3N4復(fù)合材料對噬菌體f2 進行光催化消毒。復(fù)合材料在可見光照射80min 內(nèi)達到了對3×106PFU/mL 的f2 完全失活，滅活率達到6.5log，H+和·OH 在光催化消毒過程中起著重要作用。Zhang 等[39]合成了一種由g-C3N4和低密度多孔膨脹珍珠巖（EP-520）的復(fù)合材料，其比表面積高達45.3m2/g。可見光照射下240min，MS2 的滅活率達8log。其課題組[40]還通過低溫溶劑熱-水熱法，將氧摻雜的g-C3N4微球與水熱碳化碳（HTCC）結(jié)合用于滅活人體腺病毒。 實驗表明滴度為105MPN/mL 的病毒在可見光照射下可在120min 內(nèi)完全失活（最高滅活率達5log）。此外，隨著水溫的升高、pH 的降低或鹽的存在，都可能致使病毒的滅活效率得以提高。g-C3N4不僅滅活效率高且性能穩(wěn)定，作為一種綠色、可持續(xù)且成本低的無金屬光催化劑擁有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2.3 等離子體光催化劑

等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)能夠激發(fā)光催化劑表面等離子體效應(yīng)，有效提高光催化效率。Hu 等[41]發(fā)現(xiàn)Ag-AgI/Al2O3等離子體能在可見光照射下催化滅活輪狀病毒等腸道病原微生物。以中孔Al2O3為載體，表面沉積AgI 后將Ag 在其表面制備的Ag-AgI/Al2O3催化劑在可見光照射下，40min內(nèi)能快速滅活3.2log 輪狀病毒。研究表明該催化劑的光催化消毒主要是由Ag NPs 的等離子體共振效應(yīng)引起的（特別是在波長大于450nm時），而不是Ag NPs捕獲電子提高電子-空穴分離效率。其誘導(dǎo)產(chǎn)生的h+、無機陰離子自由基和是光催化消毒的主要活性物種，水中的無機陰離子自由基不但加強了電子轉(zhuǎn)移，其基團還具有很高的殺菌活性。因此，等離子體光催化是一種非常有前景的消毒方法。

2.2.4 核酸適配子修飾

核酸適配子是一段單鏈的DNA 或RNA，適配子小、水溶性高且易于化學(xué)生成和修飾能與多種目標物質(zhì)高特異性、高選擇性地結(jié)合。Hu 等[42]合成了一種新型的光催化劑：核酸適配子修飾氧化石墨烯（GO-適配體），研究其在可見光照射下滅活病毒的能力。GO 沒有與目標的特異性結(jié)合位點，容易聚集影響光催化效率，固定在GO上的適配子能與病毒的表面蛋白特異性結(jié)合，破壞噬菌體MS2 的蛋白質(zhì)衣殼和核酸，可見光照射下滅活率達99.999%，明顯優(yōu)于相同條件下的純GO。此外，在黑暗條件下，裸露的GO與光照條件下滅活能力相似，而邊緣更鈍的GO則滅活能力弱，可能是鋒利的邊緣物理破壞了病毒蛋白。GO 與適配子的結(jié)合有效提高了GO對病毒的滅活能力，作為一種智能的綠色光催化劑，可以在復(fù)雜的水基質(zhì)下實現(xiàn)對病毒的選擇性滅活，利用核酸適配子修飾在光催化消毒領(lǐng)域擁有極大的研究價值。然而制作復(fù)雜且成本高，因此也限制了它們的批量生產(chǎn)和工程應(yīng)用。

目前，新型冠狀病毒仍在全球范圍內(nèi)肆虐，WHO表示：“尚未在飲用水中檢測到COVID-19病毒的存在，其對供水系統(tǒng)的安全隱患很低?！北M管美國國家環(huán)境保護局（EPA）認為，新型冠狀病毒易被消毒劑滅活，常規(guī)污水處理和消毒工藝能夠控制該病毒的傳播。然而，新冠病毒對飲用水系統(tǒng)安全的威脅依然不容忽視，因此迫切需要更精確高效快速的消毒方法。近日，由美國萊斯大學(xué)的Pedro alvarez 教授和生物學(xué)家Yizhi Jane Tao 共同提出利用分子印跡結(jié)合石墨碳氮化物進行選擇性的光催化滅活冠狀病毒的假設(shè)。該項目已經(jīng)獲得美國國家科學(xué)基金會（NSF）的資金支持于近日啟動。研究人員推測，具有常見冠狀病毒附著因子的石墨化氮化碳分子印跡將病毒在活性位點附近選擇性吸附，從而可靠地實現(xiàn)準確快速消毒[43]。這種“誘捕”消毒技術(shù)可以增強各種冠狀病毒的表面識別能力，進而有助于濃縮病毒的工作，通過吸附劑進行更精確的分離，并提高診斷和檢測工作中使用的傳感器檢測限。新型冠狀病毒對人類飲用水安全依舊存在著潛在威脅，針對其光催化滅活的研究仍需進一步加大力度，消毒技術(shù)應(yīng)向著更加準確高效的方向開發(fā)。

表1為滅活水中病毒的光催化材料匯總。

3 結(jié)語與展望

本文綜述了近年來國內(nèi)外學(xué)者對于光催化材料應(yīng)用于去除水中病毒的研究進展。光催化作為一種最具潛力的消毒技術(shù)之一，不僅高效、綠色安全且成本低廉。對于光催化材料的設(shè)計開發(fā)目前主要集中于半導(dǎo)體材料及其改性，尤以TiO2基為主，為了克服其禁帶較寬、光生電荷和空穴復(fù)合率高的限制，通過貴金屬沉積、金屬/非金屬離子摻雜、染料光敏化、復(fù)合半導(dǎo)體材料以及多元共摻雜等方法能有效提高光催化活性。不含TiO2的光催化材料包括金屬氧化物和硫化物、無金屬材料、等離子體光催化劑及核酸適配子修飾材料等也具有很好的應(yīng)用潛力，受到研究人員的廣泛關(guān)注。

未來針對光催化材料的研究仍然是以可見光驅(qū)動為主，并提高其光催化效率。為實現(xiàn)光催化技術(shù)的商業(yè)化和工程化，降低光催化材料的制備成本以及加強其分離回收再利用，提高光催化材料的使用壽命仍需進一步研究設(shè)計。光催化消毒研究與實際大規(guī)模應(yīng)用還存在著許多機遇和挑戰(zhàn)，仍需進一步探索。

表1 滅活水中病毒的光催化材料總覽表