随着我国海洋资源开发的加速推进，生物污损问题已成为海洋环境与经济发展面临的挑战。
中国科学院海洋研究所通过绿色合成方法，成功制备出一种以咖啡渣为原料的多孔泡沫结构二氧化铈（CeO2）光催化剂。这种天然植物源催化剂能够有效杀灭细菌，进而实现绿色长效防治海洋生物污损。
▲泡沫状CeO2与球状CeO2光催化杀菌示意图
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海洋腐蚀的“隐形推手”
海洋腐蚀对海洋装备设施的服役安全性和使用寿命构成了严重威胁。生物污损作为海洋腐蚀的“隐形推手”，通过多种机制加速了材料的腐蚀进程。
生物污损会改变材料表面氧气浓度分布，形成氧浓差电池，进而引发氧化反应，加速腐蚀。污损生物产生的腐蚀性产物会侵蚀金属基体，破坏保护涂层，使金属暴露于腐蚀环境。更为严重的是，污损生物还会改变局部环境条件，进一步加速金属腐蚀，显著缩短海洋设施使用寿命。
02
咖啡渣“变废为宝”
研究团队发现，废弃咖啡渣在80℃条件下提取的产物——帕拉黄嘌呤、可可碱和茶碱三种同分异构体，均含有活泼的-NH键。这些产物具有作为高效还原剂和封端剂的潜力，可用于辅助合成具有特殊形貌的CeO2催化剂。
秉持“变废为宝”理念，研究团队对废弃咖啡渣进行了创新性开发。
通过深度萃取，研究团队获得了咖啡渣中的有效产物，并将其作为还原剂和封端剂，与六水硝酸铈反应生成中间产物。随后，在100℃下进行脱硝去水处理，形成凝胶状的Ce(OH) 3。经过高温煅烧，产物以CO 2、NO 2和H 2O的形式逸出，最终合成具有多孔泡沫状结构的CeO2。
▲泡沫状CeO2的合成示意图
与传统合成方法相比，该CeO2在比表面积和孔隙率等方面优势显著。其大比表面积为化学反应提供丰富活性位点，利于细菌吸附；多孔结构提升可见光利用效率，高效转化太阳能为化学能，为光催化反应提供强大动力。
对光催化杀菌性能深入探究后，研究团队发现多孔泡沫状CeO2在光激发活性氧响应和活性方面表现极为出色，远超其他同类材料。
03
绿色合成开启 “防污大门”
为了验证咖啡渣制备的CeO2的杀菌效果，研究团队测试了其在液相环境下的光催化杀菌性能。结果表明，该多孔泡沫状CeO2对革兰氏阳性菌和阴性菌均有较高的催化杀灭效果。目前，该催化剂已完成实验室防污试验，研究团队正在开发用于海洋工程装备的防污涂料。
▲CeO2对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和（c）铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的抗菌性能测试
这一成果不仅为光催化海洋防污涂料的开发提供了绿色、高效且具有工业化潜力的新方法，还显著减少了环境污染和生产成本，为绿色防污涂料的研发奠定了坚实基础，展现出重要的科学价值和广阔的应用前景。
未来，研究团队将继续优化合成过程，并致力于将泡沫多孔型光催化剂应用于防污防腐涂料的开发，以期研制出可用于实际海工设备设施的绿色长效海洋防污涂料。
来源：中国科学院海洋研究所
责任编辑：王颖
