导读

自1967年Akira Fujishima发现Honda-Fujishima效应以来，光催化技术便开启了利用半导体实现太阳能-化学能转换的研究时代。然而，当这一技术延伸至海洋环境时，原本棘手的“电荷复合”问题变得更加突出。在海洋腐蚀环境中，单一光电极材料不仅受限于迟缓的界面反应动力学与有限的活性位点，在光生载流子分离效率与长期稳定性之间难以兼得，还需直面生物污损这一“海洋腐蚀加速器”的挑战：微生物附着形成的生物膜会阻隔电极/海水界面电子传递，并诱发微生物腐蚀，导致阴极保护性能的快速衰减。

针对这一复杂工况下的协同防护难题，青岛科技大学化工学院王静教授提出了一种面向海洋环境的TiO₂纳米棒阵列上电沉积CoNi-LDH异质结构筑策略。该设计的创新之处在于，不仅通过能带调节实现了光生电子的高效分离与定向迁移，更利用海洋光照条件下LDH层间Co(OH)₂的原位重构，将其转化为具有双重功能的CoOOH活性相：重构生成的CoOOH作为助催化剂促进了光生空穴的消耗与转化，加快了光生载流子的分离，构筑起“光电阴极保护+原位防污”的一体化防护屏障。相关研究成果以“Light-induced in situ reconstruction of CoOOH-modified TiO2/CoNi-LDH heterojunction photoanode: achieving excellent photoelectrochemical cathodic protection and bacterial inactivation”，为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

二氧化钛作为一种经典的光阳极材料，具备良好的光生载流子激发能力。利用这一特性，可将TiO₂构筑为光电极，在光照条件下产生电子-空穴对，并通过外电路将光生电子传输至不锈钢表面，实现阴极保护。然而，TiO₂的宽带隙(约3.2 eV)使其仅能响应紫外光，同时对光生载流子的分离与传输效率有限，制约了其在太阳能利用与阴极保护方面的应用。为拓展TiO₂的光响应范围并促进载流子分离，研究者发展了元素掺杂、染料敏化、异质结构筑以及纳米结构调控等多种改性策略，有效提升了其光电化学性能。在此基础上，进一步探索新的材料设计与界面调控机制，有望推动TiO₂基光生阴极保护体系的持续优化与应用拓展。

研究亮点

1.光诱导Co(OH)₂原位重构为CoOOH

本文提出一种光诱导Co(OH)₂原位重构为CoOOH的策略：在光照下， LDH层间的Co(OH)₂在光照下会发生原位重构，生成高活性的CoOOH相。XRD和Raman (图1A和B)证实了CoOOH的生成，为晶相转变提供了直接证据。原位重构后，棒与棒之间的纳米片交织更致密、连续性更好（图1C和D）。

图1：复合材料光照前后的(A)XRD和（B）Raman；（C）光照前和（D）光照后的SEM图片

2.光电化学阴极保护+抗菌的一体化协同策略

在海洋环境里腐蚀和微生物污损常常同时发生，单一防护效果有限。本研究设计一体化协同策略：光生电子流向金属基底，实现无外源供电的光电化学阴极保护；空穴参与界面反应生成 ROS，实现高效广谱抗菌。图2A和B中的光电化学阴极保护性能测试发现，TiO₂/CoNi-LDH/1.7V的光电极与304 SS偶联后，可使304 SS的电位下降380 mV，是纯的TiO₂的2.5 倍。同时，其在120 min时可实现对铜绿假单胞菌的100%灭活（图2C）。该策略绿色安全、无需额外杀菌剂，可同时解决腐蚀与生物污损难题，在海洋工程装备长效防护中具有重要应用前景。

图2：(A) 复合材料的光致电位降曲线；(B) 复合材料的光致电流密度曲线；(C) 不同光照时长下TiO₂/CoNi-LDH表面微生物附着情况的显微观察

总结与展望

本研究制备了一种CoOOH 修饰的 TiO₂/CoNi-LDH 异质结光阳极，实现了光电化学阴极保护与抗菌性能一体化。研究核心发现：光照条件下 CoNi-LDH 原位重构生成的 CoOOH 可作为高效助催化剂，加速光生空穴的转移与消耗。该原位重构界面与异质结结构产生协同作用，显著降低反应过电位，并使 304 不锈钢的腐蚀阴极电位负移高达 380 mV。同时，材料活性氧物种生成能力显著提升，可对铜绿假单胞菌造成不可逆损伤，在光照 120 分钟内实现菌体完全灭活。

这种动态重构异质结构为构建兼具阴极保护与广谱抗菌功能的智能防护体系提供了机理基础。尽管该材料在实验室条件下表现出理想的双功能特性，但其在实际海洋服役环境多因素耦合作用下的长期化学稳定性，以及在复杂自然海水条件（如光照波动、生物污损）下的性能演变规律，仍有待进一步系统评估。未来研究将重点在复杂海洋环境中开展现场暴露试验，以验证其工业化规模应用的可行性。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02328-z