Localized Alkaline Microenvironments Enhanced upon Tip Effects for Efficient Antibacterial Applications

电化学 氢铵 阴极 电解质 吸附 化学 化学工程 氢氧化物 离子 材料科学 无机化学 生物物理学 电极 物理化学 有机化学 工程类 生物
作者
Junrong Chen,Hao Liu,Yanjing Wang,Shang Wang,Yang‐Yu Liu,Zhujun Fu,Hao Shi,T. Sun,Yuanhong Xu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202424067
摘要

he electrochemical disinfection mechanism primarily relies on a high‐voltage pulsed electric field and electrocatalytic generation of highly oxidative radicals but suffers from shortcomings of either high voltages (dozens of kV) or significant gas supply. This study proposes an in‐situ electrocatalytic sterilization strategy that forms localized alkaline microenvironments in neutral electrolytes under a constant current of ‐12 mA at a relatively lower voltage (‐0.5 V vs. RHE). The nanowire cathode surface can effectively adsorb hydronium ions (H3O+) from the solution during H2 evolution, leading to a rapid increase in hydroxide ions (OH‐) concentration in the surrounding solution. This leads to a high diffusion zone of OH‐, creating a localized alkaline microenvironment. Scanning electrochemical microscopy (SECM) and finite element analysis (FEA) reveal that the nanowire‐derived tip‐enhanced effect significantly enhances OH‐ accumulation around the cathode, effectively inactivating Escherichia coli (E. coli) at 10⁷ CFU/mL within 3 minutes at ‐0.5 V. The resulting increase in OH‐ concentration drives rapid sterilization by inhibiting bacterial ATP synthesis and inducing oxidative stress. This method can efficiently inactivate microorganisms in a short time, while having minimal impact on the overall pH of the environment, making it a safe and environmentally friendly approach.
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