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Engineering Atomic Ag1–N6 Sites with Enhanced Performance of Eradication Drug-Resistant Bacteria over Visible-Light-Driven Antibacterial Membrane
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2024-02-22 , DOI: 10.1021/acsnano.3c10765
Shaosheng Rao 1 , Zhongti Sun 1 , Qinqin Liu 1 , Chao Cheng 1 , Cheng Jin 1 , Jinsong Gao 1 , Bing Li 1 , Yi Li 1 , Lei Liu 1 , Juan Yang 1 , Yongfa Zhu 2
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2024-02-22 , DOI: 10.1021/acsnano.3c10765
Shaosheng Rao 1 , Zhongti Sun 1 , Qinqin Liu 1 , Chao Cheng 1 , Cheng Jin 1 , Jinsong Gao 1 , Bing Li 1 , Yi Li 1 , Lei Liu 1 , Juan Yang 1 , Yongfa Zhu 2
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Utilizing visible light for water disinfection is a more convenient, safe, and practical alternative to ultraviolet-light sterilization. Herein, we developed silver (Ag) single-atom anchored g-C3N4 (P-CN) nanosheets (Ag1/CN) and then utilized a spin-coating method to fabricate the Ag1/CN-based-membrane for effective antibacterial performance in natural water and domestic wastewater. The incorporated Ag single atom formed a Ag1–N6 motif, which increased the charge density around the N atoms, resulting in a built-in electric field ∼17.2 times stronger than that of pure P-CN and optimizing the dynamics of reactive oxygen species (ROS) production. Additionally, the Ag1–N6 motif inhibited the release of Ag ions, ensuring good biocompatibility. Based on the first-principles calculation, the adsorption energy of O2 on the Ag1/CN (−0.32 eV) was lower than that of P-CN (−0.07 eV), indicating that loaded Ag single atom can lower the energy barrier for O2 activation, generating extra *OH radicals that cooperated with *O2– to effectively neutralize bacteria. As a result, the Ag1/CN powder-catalyst with the concentration of 30 ppm demonstrated a 99.9% antibacterial efficiency against drug-resistant bacteria (Escherichia coli, Staphylococcus aureus, kanamycin-resistant Escherichia coli, and methicillin-resistant Staphylococcus aureus) under visible-light irradiation for 4 h. This efficacy was 24.8 times higher than that of the P-CN powder catalyst. Moreover, the Ag1/CN-based-membrane can maintain a 99.9% bactericidal efficiency for natural water and domestic wastewater treatment using a homemade flow device, demonstrating its potential for water disinfection. Notably, the visible-light-driven antibacterial efficiency of the Ag1/CN catalyst outperformed the majority of the reported g-C3N4-based catalysts/membranes.
中文翻译：
设计原子 Ag1-N6 位点，增强可见光驱动抗菌膜根除耐药细菌的性能
利用可见光进行水消毒是比紫外线消毒更方便、更安全、更实用的替代方案。在此，我们开发了银（Ag）单原子锚定的gC 3 N 4 （P-CN）纳米片（Ag 1 /CN），然后利用旋涂方法制备Ag 1 /CN基膜以实现有效的抗菌在天然水和生活废水中的性能。掺入的Ag单原子形成Ag 1 –N 6基序，增加了N原子周围的电荷密度，导致内置电场比纯P-CN强约17.2倍，并优化了活性氧的动力学物种（ROS）的产生。此外，Ag 1 –N 6基序抑制Ag离子的释放，确保良好的生物相容性。根据第一性原理计算，O 2在Ag 1 /CN上的吸附能（-0.32 eV）低于P-CN（-0.07 eV），表明负载Ag单原子可以降低能垒用于 O 2活化，产生额外的 *OH 自由基，与 *O 2配合，有效中和细菌。结果表明，浓度为30 ppm的Ag 1 /CN粉末催化剂对耐药菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、耐卡那霉素大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）的抗菌效率为99.9%。可见光照射4 h。该效率比P-CN粉末催化剂高24.8倍。 此外，使用自制的流动装置处理天然水和生活废水时，Ag 1 /CN基膜可以保持99.9%的杀菌效率，展示了其水消毒的潜力。值得注意的是，Ag 1 /CN催化剂的可见光驱动抗菌效率优于大多数已报道的gC 3 N 4基催化剂/膜。
更新日期：2024-02-22
中文翻译：
设计原子 Ag1-N6 位点，增强可见光驱动抗菌膜根除耐药细菌的性能
利用可见光进行水消毒是比紫外线消毒更方便、更安全、更实用的替代方案。在此，我们开发了银（Ag）单原子锚定的gC 3 N 4 （P-CN）纳米片（Ag 1 /CN），然后利用旋涂方法制备Ag 1 /CN基膜以实现有效的抗菌在天然水和生活废水中的性能。掺入的Ag单原子形成Ag 1 –N 6基序，增加了N原子周围的电荷密度，导致内置电场比纯P-CN强约17.2倍，并优化了活性氧的动力学物种（ROS）的产生。此外，Ag 1 –N 6基序抑制Ag离子的释放，确保良好的生物相容性。根据第一性原理计算，O 2在Ag 1 /CN上的吸附能（-0.32 eV）低于P-CN（-0.07 eV），表明负载Ag单原子可以降低能垒用于 O 2活化，产生额外的 *OH 自由基，与 *O 2配合，有效中和细菌。结果表明，浓度为30 ppm的Ag 1 /CN粉末催化剂对耐药菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、耐卡那霉素大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）的抗菌效率为99.9%。可见光照射4 h。该效率比P-CN粉末催化剂高24.8倍。 此外，使用自制的流动装置处理天然水和生活废水时，Ag 1 /CN基膜可以保持99.9%的杀菌效率，展示了其水消毒的潜力。值得注意的是，Ag 1 /CN催化剂的可见光驱动抗菌效率优于大多数已报道的gC 3 N 4基催化剂/膜。
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