近日，食品学院王建龙教授团队在《Nature Communications》上发表了题为“Spin polarization induced by atomic strain of MBene promotes the ·O2– production for groundwater disinfection”的研究论文。2019级硕士生刘兆利与2021级硕士生高文哲为论文的共同第一作者。食品学院王建龙教授、北京大学环境科学与工程学院刘文研究员、北京大学材料科学与工程学院郭少军教授和合肥工业大学食品与生物工程学院沈益忠副研究员为论文的共同通讯作者。

致病微生物以其广泛的危害性，通过气流、接触或人工接种等多种途径传播，对人类健康、食品安全、农业生产、工业生产乃至整个生态环境构成了严峻挑战。在此背景下，探索一种简单、绿色且高效的杀菌技术，特别是针对乏氧条件下的致病微生物，已成为国际科研界的前沿热点。

图1  MBene的氧气自旋禁阻消除和超氧自由基生成机制

针对这一重大需求，王建龙教授团队首次揭示了原子级应变诱导的氧气活化机制，成功研发出一种在低溶解氧环境下高效杀灭耐药菌的新技术。团队创新性地运用自旋轨道解析算法，从自旋和轨道的独特视角，深入剖析了原子级应变策略如何打破氧气自旋禁阻的奥秘。理论计算结果显示，该策略成功诱导了MBene材料的自旋极化效应，从而克服了氧气的自旋禁阻，实现了低溶解氧条件下氧气的高效活化，使光催化超氧自由基的产量激增16.59倍。

图2  所研发方法在乏氧条件下对耐药菌的光催化杀灭效果

此外，团队还对真实地下水中的致病菌进行了杀灭效果评估，进一步验证了该技术的实际应用潜力。配备MBene的光催化连续消毒系统不仅实现了长达62小时的稳定运行，还成功产生了37.2升无菌水。与商用次氯酸钠消毒剂相比，该杀菌系统的消毒能力高出25倍，展现出极高的应用转化价值。

上述研究成果得到了国家自然科学基金国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省科技创新团队和西北农林科技大学首批院级创新团队等项目的资助。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55626-8