光诱导原位重构的CoOOH修饰TiO2/CoNi-LDH异质结光阳极：实现优异的光电化学阴极保护与细菌灭活

为什么保护海洋金属很重要

从船舶到海上平台，海洋中的金属结构不断与含盐水和侵蚀其表面的细菌作斗争。这种缓慢的损害给工业造成巨大损失并带来严重故障风险。本研究探索了一种由阳光驱动的涂层，旨在既减缓锈蚀又在海水中灭活有害细菌，从而实现更清洁、更耐用且能耗更低的海洋基础设施。

一种在光照下“唤醒”的智能涂层

研究人员在透明导电玻璃上构建了一种特殊涂层，设计为可电连接至不锈钢。该涂层的基底是二氧化钛——一种众所周知可利用光激发电子的材料，但通常主要响应紫外线。在其上方，他们生长了一层由钴和镍化合物构成的薄层状膜。在光照下，该上层并非保持不变；相反，它会重塑为一种密切相关的物相，而该物相被证明是系统真正的主力。

光驱动重构如何增强保护效果

在涂层初始制备时，上层为钴镍层状双氢氧化物。在模拟阳光的盐水测试中，电极的颜色由蓝绿色变为黄褐色。X射线和振动光谱等精细表征显示，部分钴化合物原位转变为钴氧氢化物（CoOOH）。这种变化由光照产生的正电荷驱动并在原位发生。新形成的相类似助推剂，使这些电荷更容易迁移并在表面驱动化学反应。

同时对抗锈蚀与细菌

最实用的问题是这种光激活表面是否能在海水中真正保护钢材。团队将涂覆的玻璃与304不锈钢在盐溶液中电连接，并在闪烁光照下监测其电位。通过特定电压制备出的最佳涂层使钢材电位显著变负约380毫伏，这一变化与文献中其他系统相比具有竞争力。显微图像显示，受保护的钢材在盐水中放置一天后仍然表面光滑，而未受保护的钢材则明显腐蚀。同时，对常见海洋细菌绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）的测试表明，该涂层在光照下两小时内即可灭活所有可检测细胞，远优于单独的二氧化钛。

探查电荷流动内部机制

为理解性能显著提升的原因，作者研究了涂层中电荷的迁移，并通过计算映射能级。他们发现不同层接触时，电子自发地从二氧化钛转移到钴镍层，形成内部电场。在光照下，这些电场将电子引导回二氧化钛并传递至钢材，而正电荷则朝向重构后的钴氧氢化物方向流动。这样的电荷分离延长了载流子寿命，使它们可以要么传输到金属以防止腐蚀，要么与水和氧反应生成能够损伤细菌膜与DNA的高活性氧物种。

对更清洁、更耐久结构的意义

简而言之，这项研究表明，经过精心堆叠且对光响应的涂层能在盐水中保护钢材同时对其表面进行灭菌。关键在于上层在光照下悄然原位重构为更活跃的形态，从而高效传输电荷并产生活性分子。这些效应共同减缓腐蚀并消灭有害细菌，指向未来能利用阳光而非额外电力或有毒化学品来长期维持强度与清洁的海洋材料发展方向。

引用: Wang, M., Tang, Y., Liu, J. et al. Light-induced in situ reconstruction of CoOOH-modified TiO₂/CoNi-LDH heterojunction photoanode: achieving excellent photoelectrochemical cathodic protection and bacterial inactivation. Light Sci Appl 15, 230 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02328-z

关键词: 海洋腐蚀, 光电化学防护, 二氧化钛涂层, 活性氧物种, 抗菌表面