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Insights into the disinfection enhancement of homojunction g-C3N4 photocatalyst from charge transfer regulation and cell-surface attachment

同质结 光催化 大肠杆菌 化学 细菌 活性氧 光化学 辐照 单线态氧 微生物学 生物物理学 氧气 异质结 材料科学 生物 催化作用 生物化学 光电子学 有机化学 遗传学 物理 核物理学 基因
作者
Xingxing Yang,Lina Sheng,Yongli Ye,Jiadi Sun,Shuxiang Geng,Delu Ning,Yinzhi Zhang,Xiulan Sun
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:474: 145771-145771 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.145771
摘要

Photocatalytic bacterial inactivation has emerged as a promising approach for water disinfection. However, its efficacy is limited due to photocatalyst electron-hole (e−/h+) recombination and poor contact of photogenerated reactive oxygen species (ROS) with bacteria. Tremendous efforts have been made to improve photogenerated carrier utilization of photocatalyst, however, less attention has been given to the interaction of photocatalysts with bacteria, which is crucial for the effectiveness of inactivation because of the short half-life of ROS. Here, a homojunction g-C3N4 (HJ-CN) photocatalyst was rationally designed by in-situ growing g-C3N4 quantum dots (g-CNQDs) on g-C3N4 nanosheets (g-CN). Compared with g-CN, the inactivation efficacy of the HJ-CN against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Escherichia coli was increased by 3.79 and 3.23 times, respectively. It reduced MRSA and E. coli by 5.3 log (2 h-irradiation) and 3.1 log (4-h irradiation), respectively. The enhanced bactericidal activity of HJ-CN originated from the heterojunction engineering, which promoted the separation of e−/h+ pairs, resulting in a strong redox capacity. Interestingly, HJ-CN demonstrated specific absorption for MRSA, contributing to its superior effectiveness in inactivating MRSA than E. coli. The adhesion of MRSA to HJ-CN not only reduced the distance for photogenerated ROS to migrate and but enabled photogenerated h+ to better attack bacteria. By investigating the differences in surface charge, cell structure, and hydrophobicity of four bacteria (MRSA, Listeria monocytogenes, E. coli, and multidrug-resistant Salmonella Typhimurium), it was found that hydrophobicity played a significant role in driving the selective adhesion of MRSA to HJ-CN. This work offers valuable insights into the future development of metal-free photocatalysts with high antimicrobial efficacy.
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