隨著抗生素耐藥性的不斷增加，抗藥性細菌對公共健康構成了嚴重威脅，迫切需要發展新的抗菌策略。近年來，基于反應性氧種（ROS）產生的抗菌策略成為研究熱點，因為其能夠有效滅活細菌病原體。金屬有機框架（MOFs）因其高孔隙率、豐富的可調節位點和靈活的功能性，作為一種新型材料，表現出了在有機物氧化方面的優異性能，吸引了廣泛的關注。與傳統材料相比，MOFs具備更好的環境兼容性、更低的毒性、更大的結構多樣性和可調性，且可以與其他功能如選擇性吸附和傳感等結合。然而，MOFs在實際應用中仍面臨一些挑戰，如抗菌活性的持續性和在溫度變化下的催化穩定性等問題。
鑒于此，臺灣大學Dun-Yen Kang、Zong-Hong Lin教授等人攜手在Science Advances期刊上發表了題為“Metal-organic frameworks as thermocatalysts for hydrogen peroxide generation and environmental antibacterial applications”的最新論文。
該團隊通過設計和制備了ZIF-8基MOF材料，并將其涂覆于碳纖維布（CFF）表面，成功實現了熱催化生成H2O2并展現出卓越的抗菌性能。通過在模擬實際條件下使用室內溫差，該團隊的MOF涂層過濾材料在低溫變化周期中成功產生H2O2，并顯示出長期的抗菌效果，超過一個月的持續抗菌性能，顯著提高了材料的應用價值。
此外，團隊通過詳細的結構和物理化學表征，對ZIF-8的熱電性能和熱催化機制進行了系統的實驗驗證，揭示了溫差引起的電荷分離和電壓生成機制。與傳統熱電材料（如鉍碲Bi2Te3、二氧化鈦TiO?和氧化鈰CeO?）相比，MOFs作為熱催化劑不僅具備低毒性和較好的環境兼容性，還能通過其獨特的結構多樣性和功能可調性優化催化性能，具有更廣闊的應用前景。
（1）實驗首次利用金屬有機框架（MOF）材料ZIF-8作為熱催化劑，成功實現了在低溫條件下通過溫差生成H2O2，并展示了其顯著的抗菌性能。
（2）實驗通過將ZIF-8納米粒子涂覆在碳纖維織物（CFF）上，構建了一個熱催化過濾器，模擬了現實環境中的溫度差異，成功實現了H2O2的原位生成，并顯示出對多藥耐藥菌株（如大腸桿菌和金黃色葡萄球菌）的抗菌活性。
（3）實驗通過對ZIF-8的結構和熱電性能的表征，揭示了其在熱催化過程中通過溫差誘導電荷分離和電壓生成的機制，進一步證實了其在H2O2生成中的重要作用。
（4）實驗通過與其他金屬有機框架（MOF）材料的比較，表明ZIF-8在熱催化效率和抗菌效果方面具有明顯優勢，尤其在低溫條件下的反復循環使用中，ZIF-8仍能維持高效的抗菌性能。
圖1. 使用ZIF-8涂層CFF的熱催化H2O2生成。
圖4. ZIF-8與其他MOFs的熱催化效率比較。
圖7. 抗菌過濾系統的實施及其重復使用潛力的評估。
在研究的MOFs中，ZIF-8因其最佳的能帶結構和較低的功函數（3.938 eV）展現了最高的熱催化效率。ZIF-8納米顆粒（NPs）被涂覆在碳纖維布（CFF）上，制成抗菌濾膜，通過溫度循環實現了對大腸桿菌（E. coli）和金黃色葡萄球菌（S. aureus）高達96%的滅活效果。ZIF-8@CFF濾膜在不同溫度條件下，經過30天的操作，保持了穩定的H2O2生成和抗菌性能。
這一創新性使用MOF熱催化劑利用普遍存在的溫度波動，開辟了能源高效催化、消毒技術和環境修復應用的潛在機會。研究結果突顯了低溫源驅動的熱電催化過程的巨大潛力。該開創性工作揭示了MOF熱催化劑在環保和節能催化過程中的巨大潛力。
未來的研究應探索MOF設計策略，以進一步提升熱催化性能。與可穿戴熱電技術的結合，可以實現自供能抗菌紡織品的開發。除了消毒，MOF基熱催化劑還在利用普遍存在的溫差方面展示了多種應用前景，如水處理、化學合成和能量轉換等領域。
Arnab Pal et al. ,Metal-organic frameworks as thermocatalysts for hydrogen peroxide generation and environmental antibacterial applications.Sci. Adv.11,eads4711(2025).
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