Высокопроизводительный Fe–Al@BTC МОФ для суперконденсаторов и антибактериальных применений: экспериментальные, DFT и молекулярное докинг‑исследования

Почему этот новый материал важен

Современная жизнь зависит и от чистой энергии, и от чистой воды, но нам по‑прежнему трудно эффективно хранить электричество и препятствовать распространению опасных микроорганизмов в окружающей среде. В этом исследовании представлен один недорогой материал, который решает обе проблемы одновременно: крошечный губчатый кристалл, который может быстро накапливать электрический заряд как высокопроизводительный электрод суперконденсатора, одновременно эффективно уничтожая вредные бактерии в воде. Объединяя накопление энергии и дезинфекцию в одном веществе, работа указывает путь к устройствам, которые могли бы одновременно снабжать энергией и защищать сообщества.

Кристалл из металла и углеродных колец

Исследователи создали материал, называемый металло‑органической каркасной структурой (MOF), собранной из атомов железа и алюминия, связанных малыми углеродосодержащими молекулами. Эти строительные блоки самосборкой формируют жесткую, сильно пористую 3D‑сеть, напоминающую микроскопическую соту. С помощью простого печного синтеза в обычном растворителе команда получила желтые наноскопические кристаллы нового МОФа, известного как Fe–Al@BTC. Набор методов, включая дифракцию рентгеновских лучей и электронную микроскопию, подтвердил, что кристаллы хорошо упорядочены, полны мелких пор и состоят из равномерно распределенных атомов железа, алюминия, углерода и кислорода. Эта сложная архитектура обеспечивает материалу очень большую внутреннюю площадь поверхности, где могут происходить химические реакции и аккумулирование заряда.

Как он удерживает и переносит электрический заряд

Чтобы выяснить, может ли Fe–Al@BTC работать в устройствах накопления энергии, команда изучила его взаимодействие со светом и электрической цепью. Оптические измерения показали, что кристалл поглощает видимый свет и ведет себя как полупроводник с относительно малой шириной запрещенной зоны, то есть электроны могут легче возбуждаться и перемещаться. Электрохимические тесты в щелочном растворе выявили, что материал проводит в основном отрицательно заряженные носители, что относит его к n‑типу полупроводников с очень высокой плотностью подвижных зарядов. При использовании в качестве электрода в трехэлектродной ячейке МОФ показал признаки сильного суперконденсатора: низкое сопротивление переносу заряда на поверхности, стабильный интерфейс с электролитом и сочетание быстрого поверхностного заряжания с более глубокими редокс‑реакциями, сосредоточенными на атомах железа.

Хранение всплесков энергии как в суперконденсаторе

Затем команда испытала Fe–Al@BTC в роли рабочего материала электрода. В экспериментах циклической вольтамперометрии, где напряжение прокачивают вперед и назад при регистрации тока, кривые имели широкие устойчивые формы, свидетельствующие о высокореверсивном процессе заряд‑разряд. При медленных скоростях сканирования ионы из окружающей жидкости успевали глубоко проникать в сеть микро‑ и мезопор МОФа, максимально используя активные центры. В этих условиях материал достиг удельной емкости около 339 фарад на грамм — высокая производительность для электродов суперконденсаторов. При более быстром сканировании емкость слегка снижалась, как и ожидалось, когда движение ионов начинает отставать от меняющегося электрического поля. В целом сочетание пористой структуры, проводящих путей и редокс‑химии железа позволило Fe–Al@BTC быстро накапливать и отдавать электрическую энергию.

Остановка вредных бактерий на месте

Кроме накопления энергии исследователи проверили, может ли тот же МОФ подавлять рост бактерий. Они подвергли культуры бактерий рода Bacillus — окружающие бактерии, способные загрязнять воду — воздействию возрастающих концентраций Fe–Al@BTC. Используя как оптические измерения плотности жидких культур, так и традиционный тест на питательных чашках с измерением зон подавления роста вокруг образцов, они обнаружили, что бактериальный рост резко падает при увеличении концентрации МОФа. При 600 миллиграммах на литр материал полностью останавливал рост в обоих тестах. Авторы предполагают, что здесь действуют несколько механизмов: заряженные группы на поверхности МОФа притягивают и разрушают клеточную стенку, центры железа и алюминия могут связываться с ключевыми клеточными компонентами, а дефекты в кристалле способствуют образованию химически реакционноспособных видов, повреждающих мембраны и белки бактерий.

Взгляд на взаимодействия на атомном уровне

Чтобы связать структуру с функцией, команда обратилась к компьютерному моделированию. Квантово‑химические расчеты показали, как органический линкер и металлические центры образуют относительно небольшую разность между наивысственным занятым и низшим незанятым энергетическими состояниями, что поддерживает наблюдаемое полупроводниковое и редокс‑поведение. Затем молекулярное докинг‑моделирование смоделировало, как фрагменты МОФа взаимодействуют с важным ферментом бактерий Bacillus. Смоделированные комплексы прочно связывались за счет смеси водородных связей, электростатического притяжения и гидрофобных контактов, что указывает на то, что МОФ может вмешиваться в жизненно важные биохимические механизмы помимо повреждения клеточной оболочки. Эти теоретические выводы дополняют лабораторные измерения и помогают объяснить двойную энерго‑ и антибактериальную эффективность.

Что это может значить для повседневной жизни

Проще говоря, исследование показывает, что один легко синтезируемый кристалл может выступать одновременно как быстрое, долговечное электрическое «губчатое» хранилище для суперконденсаторов и как мощное средство уничтожения вредных бактерий в воде. Поскольку Fe–Al@BTC основан на относительно распространенных металлах и может быть синтезирован простыми методами, он обещает недорогие устройства, которые, например, могут аккумулировать энергию от солнечных панелей и одновременно помогать дезинфицировать контактирующие с ними водные потоки. Хотя требуется дополнительная работа по масштабированию производства, настройке синтеза и оценке безопасности в реальных условиях, этот многофункциональный материал дает представление о будущих технологиях, в которых одно продуманное твердое тело сможет решать и энергетические, и экологические задачи.

Цитирование: Abdelnasser, E., Alaraj, A.M., Abdelfatah, M. et al. High-performance Fe–Al@BTC MOF for supercapacitor and antibacterial applications: experimental, DFT, and molecular docking studies. Sci Rep 16, 11359 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43631-4

Ключевые слова: металло‑органические каркасы, суперконденсаторы, антибактериальные материалы, накопление энергии, очистка воды