石墨相氮化碳光催化抗菌優化策略及應用研究進展

中圖分類號：0643.36；0644.1 文獻標識碼：A DOI：10.7535/hbkd.2025yx03005

Research progress on optimization strategies and applications of photocatalytic antibacterial activity of graphitic carbon nitride

I Wenhui1，WANG Ruopeng1，HAN Yuhe1，WANG Sai1， ZHANG Yumei12，LU Qiong ^1，2 ，AN Jing ^1，2

（1.School of Sciences，Hebei Universityof Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei O50o18，China; .Hebei Provincial KeyLaboratoryof Photoelectric Controlon Surfaceand Interface，Shijiazhuang，Hebei O5oo18，China）

Abstract： Graphitic carbon nitride （g-C₃N₄ ） is a carbon-based conjugated polymer material with a crystal structure similar to graphite，which exhibitsunique potential inthe fieldof photocatalyticantibacterial activity.However，factorssuch as easy recombination of photogenerated electron Ξ（e^-） -hole （h⁺ ）pairs，incomplete sunlight absorption，small specific surface area， and poor adsorption propertiesof g-C₃N₄ photocatalysts leaded to low photocatalytic eficiency，limiting their antibacterial efectiveess.Toovercome theseproblems，strategies suchas morphologycontrol，precious metaldeposition，elementdoping， and heterostructure construction were employed to functionalize g-C₃N₄ and fully activated its antibacterial potential. A detailed introduction was given to the optimization strategies for the photocatalytic antibacterial performance of g-C₃N₄ ，with a focus on thecurrent stateofresearchonitsphotocatalyticantibacterial propertiesin waterdisinfection，antibacterial dresings， antibacterial textiles，and food packaging.The challenges currently faced in the development of g-C₃N₄ photocatalytic antibacterialagentswerehighlighted.Inordertoaddresstheinreasinglyseverechalengeofmicrobialcontamination，future research directions are suggested：1） depening the research onthe mechanisms of reactive oxygen species（ROS） induced damage to bacterialcellmembranes，intracellular proteins，DNA，etal;2）exploring the antibacterialapplications of g-C₃N₄ on broad-spectrum bacteria such as drug-resistant bacteria and commonly used fungi; 3） enhancing the adaptability of g-C₃N₄ in different environments.

Keywords：catalytic chemistry；graphitic carbon nitride;photocatalysis；antibacterial;optimization strategy

受環境變化和人類活動的影響，病原體的傳播風險增加，公眾在飲用水、使用公共設施以及處理傷口時，很容易感染具有傳染性和致病性的微生物。盡管抗生素在治療細菌感染方面非常有效，但由于其被過度使用，出現了多種對藥物具有抗性的“超級細菌\"[1-2]。同時，抗生素殘留物會對環境造成二次污染，進一步破壞生態系統的平衡，最終對人類健康和生存造成威脅。因此，鑒于細菌感染的普遍性，以及當前日益嚴峻的抗生素耐藥性問題和其對環境的負面影響，迫切需要尋求更為高效且環保的抗菌解決方案。

近年來，隨著抗菌技術的持續創新與突破，外源性抗菌技術成為主流技術。外源性抗菌技術是指利用外界的刺激（光、電、磁、微波、超聲波等）生成高活性的、具有強大殺菌能力的自由基來破壞細菌結構的完整性，進而徹底殺死細菌[3]。其中，利用太陽光提供能量的光催化抗菌技術，是一種安全、經濟的抗菌手段。此外，光催化抗菌材料因具備抗耐藥性且無副作用，展現出廣闊的應用前景，被認為是極具潛力的抗生素替代方案之一[4]。

為了應對日益加劇的細菌感染問題，開發新型、高效且環保的光催化抗菌材料是一種可行的解決策略。石墨相氮化碳 （g-C₃N₄ ）作為一種非金屬聚合物型光催化劑，因其獨特的化學結構和電子 （e^-） 性質，已經成為光催化抗菌領域中熱門的研究材料之一。據多項研究[5-11]報道， g-C₃N₄ 在水消毒、抗菌敷料、食品包裝、防污膜以及自清潔型織物等方面均得到了廣泛應用。

1 g-C₃N₄ 概述

1.1 g-C₃N₄ 的結構特點

g-C₃N₄ 是一種新型的碳基共軛聚合物材料[12]，晶體結構與石墨相似，具有半導體特性。與其他傳統光催化材料相比， g-C₃N₄ 具有窄帶隙結構（禁帶寬度為 2.7eV） 、寬光譜吸收范圍 （?460nm ）、低成本、易合成等優勢，在光催化領域展現出獨有的應用潛力[13]。

g-C₃N₄ 由交替的C原子和N原子以 sp² 雜化共軛的六元環構成。在這個六元環中，C和N原子上未參與雜化的孤對電子相互鍵合形成 π 鍵，貫穿整個二維網狀結構，建立了一個高度離域的 π 電子共軛體系[14]。 g-C₃N₄ 具有 2 種理想的結構模型：一種結構是如圖1a）所示的三嗪環 （C₃N₄） ，它是一個由3個C原子和4個N原子組成的環狀結構。在這個環中，每個C原子都與3個N原子相連，形成3個C—N鍵，其中N 原子作為平面三角形的中心，分別與3個獨立的三嗪環相連，形成無限延伸的結構；另一種是如圖1b）所示的3-s-三嗪環 （C₆N₇ ），它的結構相對復雜一些，由6個C原子和7個N原子交替連接構成，形成一個更大的環狀結構。這2種結構都是 g-C₃N₄ 的重要組成部分，但是后者這種交替的C—N連接賦予了3-s-三嗪環更高的穩定性，因此被視為 g-C₃N₄ 的主要結構單元[15-16]。

合成 g-C₃N₄ 的常用方法是在 500～600^°C 的溫度下，于空氣或惰性氣氛中對前驅體進行煅燒。然而，由于聚合過程中含氮前驅體未能徹底進行脫氨基反應，導致所合成的 g-C₃N₄ 具有不完全聚合的七嗪基melon結構（被稱為體相 g-C₃N₄ ），如圖 1c） 所示。此外，直接熱縮聚合的 g-C₃N₄ 還有一些不足之處，如 e^- 和光生空穴 （h⁺ ）在半導體材料表面易復合、比表面積小、吸附性差、對太陽光的吸收利用不完全等，這些因素都會降低光催化過程的效率，從而限制其在光催化領域的應用[16-17]。

1.2 g-C₃N₄ 光催化抗菌機理

光催化反應是 g-C₃N₄ 納米材料實現高效抗菌性能的關鍵因素。如圖2所示，在外源光照射下， g-C₃N₄ 作為一種半導體光催化劑，當入射光的能量超過其禁帶寬度時，價帶（VB）中的 e^- 吸收光子能量并躍遷至導帶（CB），形成具有還原性的 e^- 。當 e^- 離開VB時，會在其原位置留下一個帶正電的 h⁺ 。光生載流子通過擴散運動分離并遷移至 g-C₃N₄ 表面，與氧氣或水發生不完全氧化還原反應，產生活性氧（ROS），如羥基自由基 （?OH） 和超氧自由基 （??O₂^-） 。·OH和 ?O₂^- 具有很強的化學反應活性，能夠直接作用于細菌細胞膜，誘導內部物質外滲，進一步導致細菌DNA損傷和蛋白質失活。這種機制能夠促使微生物的生化反應紊亂，破壞細菌的分裂

和繁殖能力，從而迅速殺滅有害細菌，實現抗菌效果[4，18-20]。此外，ROS 還能夠有效分解死亡細菌的殘留物及其排泄物，進一步控制感染的范圍。

2 g-C₃N₄ 光催化抗菌性能的優化策略

g-C₃N₄ 光催化劑具有一定的光催化抗菌性能。然而，由熱縮聚合制得的 g-C₃N₄ 光催化劑存在一些不足之處，會降低光催化過程的效率，進而限制其在光催化抗菌領域的應用潛力[16]。為了解決這些問題，研究人員提出了一系列改進策略，如圖3所示，包括形貌調控、貴金屬沉積、元素摻雜、異質結構建等[16，21-23]。這些改進策略能夠有效減少 e^- 和 h⁺ 的復合，優化 e^- 遷移效率，從而顯著提高量子產率；同時，還能增大光催化材料的比表面積，拓寬對可見光的吸收范圍并提升其利用效率。這些協同效應共同增強了g-C₃N₄ 的氧化還原活性，使其能夠產生充足的ROS，從而充分發揮其優異的殺菌潛力。

2.1 形貌調控

形貌調控是改善 g-C₃N₄ 光催化性能的一種重要策略。通過合成量子點、納米管、超薄納米片等形貌的 g-C₃N₄ ，可以提高其比表面積，增加活性位點數量，進而提升其光催化抗菌效果[24]。

0維 （0D 結構的石墨相氮化碳量子點（ g-CNQDs） 具有成本低、化學穩定性優、比表面積大、帶隙適中等特性，在光催化抗菌領域備受關注。YADAV等[25]通過熱聚合法和選擇性透析法合成了 g-CNQDs ，其粒徑為 2～7nm ，比表面積為 264m²/g 。由于量子尺寸效應， 0D 結構的 g-C₃N₄ 在電荷轉移和分離過程中表現出優越的性能。在可見光區， g -CNQDs的光學吸收特性增強。在可見光照射下， g-CNQDs 產生大量的ROS用于抗菌，其對初始濃度為 10⁶cfu/mL 的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制率分別達到 99% 和90% 。光催化抗菌效果優于無孔 g-C₃N₄ 、介孔 C₃N₄ 、載銀介孔 C₃N₄ ，且與銀納米粒子相當。XIAO等[26]通過熱縮合和化學蝕刻法，構建了富含氨基的多孔超薄 g-C₃N₄ 納米片（AHUCN）。在 AM1.5G 光照下，僅需 30min ，其對 的大腸桿菌抑菌率接近 100% 。如圖4所示，AHUCN的高光催化活性得益于其多孔超薄結構，更關鍵的是AHUCN表面存在的大量氨基，使得光催化路徑由原本較慢的2步單 e^-

間接還原過程轉變為一步雙 e^- 直接還原過程，這種反應途徑加快了 H₂O₂ 的生成，從而提高了AHUCN的光催化殺菌效果。XU等[27]采用自模板法成功制備了具有分層結構和氮缺陷的六方微管狀納米多孔 g-C₃N₄ （TPCN），在可見光照射 后，對 5×10⁶cfu/mL 的大腸桿菌的抗菌率達到 100% 。相比之下，塊狀的g-C₃N₄ 只滅活了 74.4% 的大腸桿菌。該材料的高效光催化抗菌性能，主要歸因于 g-C₃N₄ 骨架中引入了氮缺陷，這有效減小了帶隙，改善了材料在波長大于 450nm 區域的光捕獲能力。此外，層狀結構提供了多種光反射和散射路徑，可以誘導電荷快速及更長距離的傳輸，納米孔隙度的增加也可以促進載流子向表面遷移。與 g-C₃N₄ 納米片相比，管狀 g-C₃N₄ 具有更大的長寬比，有利于 e^- 沿軸向方向的定向轉移。

通過構建 0D 量子點、多孔超薄納米片和多孔納米管等策略優化 g-C₃N₄ 的結構和形態，顯著提高了g-C₃N₄ 的比表面積、活性位點數量、光捕獲能力、電荷傳輸效率，還能夠改變生成ROS的反應路徑，展示出優異的光催化抗菌性能。未來可進一步探索引入更多帶正電荷的基團（如季銨基、氨基等），以增強其與細菌表面負電荷的相互作用，并優化光催化反應路徑，加速反應速率，從而顯著提高材料的抗菌性能。

2.2 貴金屬沉積

研究發現，在 g-C₃N₄ 表面沉積的貴金屬（如 Ag，Pt，Au 等）納米粒子（NPs）能夠產生表面等離子體共振效應（SPR），誘導生成強烈的局部電場，提高載流子的形成速率；此外，貴金屬可作為電子阱捕獲 e^- ，有效分離 e^- 和 h⁺ ，促進ROS的生成，從而有效提高光催化效率[28-31]。

MA等[29]以三聚氰胺為前驅體，采用熱聚合結合光輔助還原法制備了 Ag/g-C₃N₄ 復合光催化劑。純g-C₃N₄ 在可見光下照射 90min 后幾乎沒有大腸桿菌失活。當 Ag 的負載量為 3% 時，在可見光照射 75min 后該材料對初始濃度為 大腸桿菌的抑菌率高達 99.99% ，抗菌率顯著提升。這一現象源于AgNPs 能有效地從 g-C₃N₄ 的CB捕獲 e^- ，加速載流子的分離，促進ROS的產生，增強了光催化抗菌活性。XU等[30]進一步通過水熱法和光輔助還原法將 AgNPs 負載在氧化多孔 g-C₃N₄（PCNO） 上。結果表明，可見光照射 ^2h 后，該材料對濃度為 的金黃色葡萄球菌具有顯著的抗菌效果，抗菌率高達 99.4% .而純 g-C₃N₄ 的抗菌率僅為 29.6% 。 AgNPs 的SPR有助于增強其對可見光區域的吸收，位于 AgNPs 表面的 e^- 通過PCNO的納米孔隙輸出，被水中的 O₂ 捕獲形成 ?O₂^- ，提高了ROS的產率和后續的光催化抗菌效果。在類似的研究中，WEI等[31]采用原位光沉積法制備了系列 Ag/g-C₃N₄ 復合材料。當菌液濃度為 10⁷ cfu/mL 時，在暗反應條件下，細菌均能正常生長。對于純 g-C₃N₄ 而言，在可見光照射 120min 后，仍有

7.2×10⁴cfu/mL 的大腸桿菌存活，表現出微弱的光催化抗菌效果。然而，隨著 Ag 含量的增加，所觀察到的細菌菌落數明顯減少。其中，當 3-Ag/g-C₃N₄（Ag 的質量分數為 0.11% 的加人量為 0.01mol/L 時，在可見光照射 120min 內，其能滅活所有細菌，抑菌率達到 100% 。同時，經過4次循環實驗發現， .3-Ag/g-C₃N₄ 仍能保持良好的抑菌性能。 Ag/g-C₃N₄ 抗菌性能的提升源于 AgNPs 的SPR效應，其使可見光的吸收范圍擴展至520nm ，顯著提高了光的利用率；同時， g-C₃N₄ 的CB中的 e^- 向 Ag 轉移，形成肖特基勢壘，阻礙了 e^- 的回流，從而降低了 e^- 與 h⁺ 的復合幾率。為探究光催化抑菌性能，MIROLIAEI等[32]構建了生物炭 'g-C₃N₄/Pt 異質結結構納米復合材料，當其用量為 5mg/L ，大腸桿菌濃度為 2×10³cfu/mL 時，在可見光和黑暗條件下抑菌 90min 后的結果表明，在無光照的條件下，大腸桿菌的濃度基本保持不變，而處于可見光環境中時，大腸桿菌的生長受到顯著抑制，抑菌率高達 97% 。 Pt 的SPR效應增強了復合材料表面鄰接處的局域電場，改變了半導體材料的能帶結構，使 e^- 更易從VB躍遷到CB，進而產生更多的 e^-?h⁺ 對，用于高效抑菌。隨后，HAI等[33]通過水熱法制得 Au 修飾 g-C₃N₄ 納米復合材料 AuCN-HT ，其對銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌具有顯著的抑菌能力。在可見光光照下， AuCN-HT 對銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌的抑制圈直徑分別為 9.3mm 和 8.6mm ，而純 g-C₃N₄ 的抑菌圈直徑僅為 4.6mm 。研究結果表明， AuNPs 的 SPR特性在調節禁帶寬度時起到了重要作用，使AuCN-HT的禁帶寬度降低到 2.25eV ，從而顯著增強了AuCN-HT對光的吸收能力。

綜上可知，將Ag、Pt、AuNPs沉積在不同結構的 g-C₃N₄ 載體上，通過SPR能夠增強光吸收，擴大光響應范圍，還可以捕獲 e^- ，加速載流子的分離，促進ROS的產生，提升光催化抗菌性能。但還需進一步探討光催化抗菌的具體機制，包括ROS的生成途徑及種類、貴金屬與細菌的相互作用等，深入理解其作用機理，為后續材料的設計提供理論支持。

2.3 元素摻雜

通過在 g-C₃N₄ 中摻入非金屬元素（如O、P、S等）取代其晶體結構中的C或N原子，可以有效縮小禁帶寬度、擴展光吸收范圍、減少載流子復合、增加表面活性位點、提升光催化反應效率[34-35]。

LIN等[36]通過煅燒三聚氰胺和S的混合物制備了 xSCN 。研究發現，在可見光照射下， xSCN 樣品能吸收波長在 465～480nm 范圍的可見光。隨著S摻雜量的增加，吸收邊向長波長方向移動，帶隙縮小，xSCN 能更高效地吸收光能。同時，S取代 g-C₃N₄ 中的N，優化了電荷轉移過程，使xSCN可以有效殺滅溶液中超過 70% 的大腸桿菌，充分展現了其在實際應用中的潛力。此外，研究人員進一步將N、S同時摻人石墨烯量子點（GQDs）中，有效調控其能帶結構和電荷結構[37-40]。LI等[40]采用高溫煅燒法合成了 N、S共摻雜的石墨烯量子點 （N，SGQDs）/g-C₃N₄ 復合光催化劑（NSG-CN），通過平板計數法測定其光催化抗菌性能。結果表明：在黑暗環境中，純 g-C₃N₄ 和NSG-CN對大腸桿菌的濃度并無明顯影響；但在可見光照射下，NSG-CN表現出優異的抗菌活性，大腸桿菌濃度降至 10.4% ，而純 g-C₃N₄ 僅降低至 60.9% 。NSG-CN的禁帶寬度為 2.69eV ，略低于純 g-C₃N₄ 的 2.74eV 。BAI等[41]采用熱縮聚和化學氧化法制得氧含量為 12% 的O g-C₃N₄ ，其富含親水性羧基和羥基，分散性明顯增強，相較于純 g-C₃N₄ ， ROS 的生成量增加了 13.8% ；通過靜電紡絲法制備了聚乙烯醇（PVA）/殼聚糖 （CS）/O-g-C₃N₄ 復合納米纖維膜（PCO），與 O-g-C₃N₄ 相比，PCO的抗菌活性顯著提高；在對初始濃度為 的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌實驗中，產生的抗菌圈直徑分別可達 （26±0.1）mm 和 （16±0.2）mm 。模擬日光照射24h 之后，對大腸桿菌的抑制率高達 97% 。

元素摻雜策略主要通過調整能帶結構、拓寬光吸收范圍和優化電荷轉移等途徑提升 g-C₃N₄ 光催化的抗菌性能。這些研究為開發高效光催化抗菌材料提供了新的思路。未來可結合光譜分析技術（如時間分辨光譜、瞬態吸收光譜）來實時監測反應過程中載流子的轉移和復合過程，深人研究復合材料在光催化反應過程中的 e^- 動態行為。

2.4異質結的構建

異質結通過在不同半導體材料之間形成密切的接觸界面，從而產生內建電場，促進光生載流子的定向傳輸[42-44]。如圖5所示，基于 g-C₃N₄ 的常見異質結類型有 Schottky 結、I型、Ⅱ型、Ⅲ型、Z型及一種新的 S型異質結[42]。

LI等[43]結合氧化還原石墨烯（ rGO） 卓越的電荷遷移率和優異的導電性，同時添加三維層狀聚苯胺（PANI），構建了一種新型非金屬Z型 g-C₃N₄/rGO/ PANI異質結作為高效抗菌光催化劑。研究發現，經過 ¹h 可見光照射后，其能夠完全抑制濃度為 的金黃色葡萄球菌，抑菌率達到了 100% ，殺菌效果明顯優于純 g-C₃N₄ 和 g-C₃N₄/rGO 。如圖6所示，這主要是由于 rGO 作為 e^- 介質有效增強了e^-?h⁺ 對的分離，將 e^- 轉移到PANI的HOMO軌道上，它們之間高效的 e^- 傳輸顯著提高了抗菌效率。

CHE等[45]采用水熱聚合法合成了S型異質結2D/3D P-g-C₃N₄ /BiOBrs。結果表明，材料內部的S型異質結促進了光生載流子的快速分離和轉移。光照 80min 后，該材料對濃度為 3×10⁸cfu/mL 的耐多藥鮑曼不動桿菌28的殺菌率幾乎為 100% ，對金黃色葡萄球菌的殺菌效率也高達 99.9% 。此外，該催化劑具有良好的穩定性，經過連續5次循環后，其光催化殺菌性能變化不大，說明該材料在多次使用后仍能保持高效的抑菌能力，確保了長期使用的可靠性和有效性，可以繼續擴大應用范圍。FENG等[46]制備了具有高比表面積和超薄層狀結構的多孔 g-C₃N₄ 納米片，并在其表面和孔周圍均勻沉積 Bi（OH）₃ NPs，合成了一種新型的二維CNB異質結光催化劑。在可見光照射下，CNB對初始濃度為 5×10⁷cfu/mL 的大腸桿菌的光催化抗菌效率高達 99.3% ，分別是 Bi（OH）₃ 的4.3倍和 g-C₃N₄ 的3.4倍。經過5次抗菌循環實驗，CNB依然保持穩定的光催化抗菌性能，表明其在多次重復使用后仍具備高效抗菌作用。CNB異質結的構筑增強了其對可見光的吸收，促進光激發下載流子的分離和遷移，提高光催化抗菌性能。如圖7a）所示，在光催化處理之前，大腸桿菌細胞表面光滑，呈現典型的桿狀形態，細胞膜完整無損，表明大腸桿菌處于健康狀態。然而，在光照條件下，光催化劑會產生高活性的ROS，直接導致細胞膜的破壞、胞內蛋白滲漏和蛋白分解。經過 ^2h 可見光照射后，如圖7b）所示，細胞嚴重塌陷，導致細菌死亡。

以上研究結果表明，異質結的構建極大提高了載流子的分離效率，顯著提升了 g-C₃N₄ 的光催化抗菌性能，但未對載流子如何具體提高抗菌活性機制進行深入研究。此外，現有研究主要集中于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等常見菌株，少有關于耐藥菌如耐多藥鮑曼不動桿菌的研究。因此，未來研究可擴展至更多種類的病原菌，特別是耐藥菌，以增強其廣譜應用性。

3 g-C₃N₄ 在光催化抗菌領域的應用

3.1 水消毒

據世界衛生組織統計，在人類罹患的各類疾病中，高達 80% 的病例與水污染存在直接或間接關聯。鑒于此，如何從再利用的水源中高效提取出高品質且清潔的飲用水，已成為當前亟待解決的重要課題，對于保障人類健康與生命安全具有至關重要的意義。

當前，傳統水處理方法如氯化、紫外線照射和臭氧處理等，在消毒和病原體去除方面發揮著主要作用6然而，這些方法均存在毒性、環境破壞性和能耗較高等顯著弊端。因此需要尋求更為高效且低毒的新技術來滅活致病性微生物，以保障人類飲用水的安全。在眾多方法中，光催化消毒技術因其高效性、低毒性及環保性，被廣泛視為滅活水中病原體的優選方案[47]。

ZENG 等[48]首次將PEI接枝到 g-C₃N₄ 納米片的表面，使 PEI/g-C₃N₄ 復合物的Zeta電位變為正值，顯著增強了其與表面帶負電的細菌之間的黏附作用，進而提高了ROS對細菌滅活的有效利用率。在模擬太陽光照射 45min 后，對大腸桿菌（初始濃度為 2×10⁶cfu/mL 的抑菌效果達到 80% 。經過連續3次循環滅活實驗，該光催化材料對大腸桿菌仍保持較高的滅活效率，表明該催化劑具有良好的穩定性和可重復使用性。YANG 等[49]利用可吸收寬波段太陽光的紅磷（RP）[50]和強導電性的磁性碳納米管（MCNT）[51]，成功設計合成了具有優異光催化抗菌性能的MCNT/RP/CN三元異質結。如圖8所示，于可見光分別照射 45min 和90min 后，對初始濃度 （Φ_C） 為 的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率可達 100% 。MCNT/RP/CN對一系列細菌均具有優異的光催化殺菌性能，表明它具有廣譜抗菌活性。MCNT/RP/CN對金黃色葡萄球菌的一級殺菌率為 0.14min^-1 ，比純 g-C₃N₄ 的殺菌率提升了約9.3倍。多次循環使用后，其對金黃色葡萄球菌的殺菌效率保持穩定，充分表明該催化劑具備較好的循環穩定性，在實際應用中能夠持續有效地發揮殺菌作用。此外，在真實的水體環境中，MCNT/RP/CN異質結對各類致病微生物均表現出高效消毒能力，并在大規模示范應用中證明了其優良的消毒活性。

研究人員通過調節 g-C₃N₄ 基復合材料的表面電荷，使其與細菌相互作用，可提高ROS的有效利用率，在光催化水消毒方面表現出高效性、廣譜性和高殺菌率等優勢，具有良好的實際應用潛力。未來可探究光催化劑在不同水質和環境條件下的應用表現，特別是在復雜真實水體環境中的消毒效果和長期穩定性。

3.2 抗菌敷料

皮膚作為人體的屏障可有效阻止細菌和病毒的侵人。當皮膚屏障受損時，易導致細菌感染并影響傷口愈合[52]，甚至會引發感染性休克和死亡[53]。雖然青霉素等抗生素對細菌感染有顯著療效，但細菌耐藥性問題日益嚴重，因此需要尋求一種治療手段來對抗這一嚴峻挑戰?？咕罅献鳛橐环N重要的治療手段，不僅能夠有效殺菌，還有助于促進組織修復和傷口愈合。

LIU等[53]成功制得氮化碳-聚多巴胺-銀復合物 （C₃N₄-PDA-Ag） ，又采用溶液澆鑄法將其與殼聚糖（CS）復配，得到了 C₃N₄-PDA-Ag@CS 膜。如圖9所示，當菌液濃度為 10⁵cfu/mL，C₃N₄-PDA-Ag 和CS質量比為 0%（C₀） 時，與未加 C₃N₃PDA-Ag@CS 膜的對照組（Control）相比，其對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的抗菌率分別僅為 2.99% 和 1.47% ；當質量比為 0.5%（C₁），1.5%（C₂），2.5%（C₃） 時，對2種細菌的抗菌率均超過 80% 。研究發現， C₃N₄-PDA-Ag@CS 復合敷料在可見光照射下，通過促進膠原沉積和加速表皮修復，改善了感染小鼠的傷口愈合情況。PDA具有良好的黏附性，其充當了 C₃N₄ 和 Ag 之間的“橋梁”，實現了光催化劑與 AgNPs 之間的協同抗菌作用。此外，由 AgNPs 產生的SPR引發吸收光顯著紅移，增強了可見光的捕獲能力，提高了光催化的抗菌活性。

CHENG等[54]通過水熱法用鋅中-四（4-羧基苯基）卟啉（ Z_nTCPP） 對 g-C₃N₄ 進行了酰胺化修飾，構建了有機-無機復合材料（ZP/CN），禁帶寬度減小至 1.79eV ，顯著增強了可見光的捕獲能力。對 200μg/mL 的ZP/CN進行可見光照射，發現其在 10min 內顯示出優異的體內和體外抗菌活性，對菌液濃度為

的金黃色葡萄球菌實現了高達 99.99% 的殺菌率。在可見光照射下，ZP/CN不僅能有效抑制細菌生長，還有助于促進血管生成并抑制炎癥，加速傷口愈合。實驗結果還表明，ZP/CN在體內具有良好的生物安全性，不會對皮膚結構的重建產生不良影響。

綜上所述， g-C₃N₄ 復合敷料兼具優異的光催化抗菌性能和促進傷口愈合的能力，并且在體內外均具有良好的生物相容性，對細胞無明顯毒性作用，不會對皮膚結構的重建產生不良影響，為臨床應用提供了安全保障。未來可進一步評估其長期生物相容性，確保其在長期使用中的安全性和穩定性。

3.3 抗菌紡織物

環境污染的加劇對人類健康也有潛在的負面影響。因此，科學界和紡織工業界紛紛加大研究力度，致力于研發一種具備減少或者消除有機化合物和致病微生物能力的功能性織物，減少織物表面微生物的存活和繁殖，預防疾病的傳播，為人類提供健康保護[10]。這種抗菌織物通常具有更長的使用壽命和更低的維護成本。除此之外，由于減少了洗滌頻率，它們還可以降低對水和能源的依賴，減輕環境壓力。氮化碳復合物在抗菌紡織品中的應用備受關注，其獨特的物化性質使其在抑制微生物方面展現出巨大潛力。

PEDROSA等[1]采用浸漬法成功制備了 g-C₃N₄ 與氧化石墨烯（GO）復合的功能性棉織物，在 17.2W/m² 的LED光照射下，將質量濃度為 0.7g/L 的 g-C₃N₄ 和 GO/g–C₃N₄ 分別作用于細菌 60min 后，大腸桿菌的失活率（初始濃度為 10³～10⁴cfu/mL 超過了 99.2% 。當將 GO/g–C₃N₄ 涂層織物暴露在光下時，GO可作為光激發 g-C₃N₄ 的 e^- 受體，有效減緩 e^--h⁺ 對的重組速率，促進ROS的生成。MEGANATHAN等[55]采用化學氧化聚合法制備了 g-C₃N₄ 和導電聚合物聚吡咯（PPY）的復合材料（CNPPY），采用墊干固化技術，在棉織物（CT）上涂覆了不同種類的CNPPY 涂層，得到CNPPYCT復合材料。相較于單獨的 g-C₃N₄ 和PPY涂層，CNPPYCT復合材料對大腸桿菌具有明顯的抗菌活性，可見光照射 ⁴h 后，在菌液初始濃度為 的情況下，抗菌率達到了 85% 。光催化清潔測試表明，該復合材料的用水量僅為 1cm²/mL ，展現出持久的光催化去污和自清潔功能。

以上研究表明，將 g-C₃N₄ 與導電聚合物等復合材料結合，在織物表面形成抗菌涂層，能有效抑制細菌的生長。這種技術所制備的抗菌紡織物不僅具備長效抗菌能力，還具有光催化清潔和自清潔功能，可降低維護成本、減輕環境壓力，獨特的抗菌性能使其成為制備功能性織物的理想材料之一。可見， g-C₃N₄ 在抗菌織物領域具有廣闊的應用前景，有望為人類提供更健康、更安全的生活環境。

3.4食品包裝

食源性病原體污染在全球范圍內呈現出愈發嚴重的態勢，這種污染主要由細菌、病毒、寄生蟲和霉菌等病原體引起，并且能夠通過食物傳播，嚴重威脅人類健康[56]。 g-C₃N₄ 基復合材料光催化劑憑借其卓越的抗菌特性和環境友好性，在開發符合環保標準的抗菌食品包裝材料方面具有應用潛力。

NI等[57]用水熱法成功合成了 g-C₃N₄ /二硫化鉬納米點（CNMo），將其均勻分散于魔芋葡甘露聚糖（KGM）中，得到一種新型納米復合膜（KCNMo）。該復合膜在光照下表現出顯著的抗菌活性，經過 1min 光照處理，可觀察到大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的形態明顯縮小，且部分細菌的細胞膜凹陷。光照 5min 時，這2種細菌的細胞膜結構遭到嚴重破壞，出現孔洞，說明細菌已被完全殺滅。此外，KCNMo薄膜具有優越的食品保鮮能力，用其包裝的圣女果在18d內均保持良好狀態，細胞活性高達 95% ，明顯優于無包裝及普通聚乙烯包裝。LIU等[58]成功制備了具有良好抗菌活性的石墨相氮化碳/殼聚糖/聚乙烯醇的新型食品包裝膜 （g-C₃N₄/CS/PVA） ，通過抗菌圈法對其抗菌效果進行了評價。結果表明： g-C₃N₄ 的引入顯著增強了膜的抗菌活性，且其抗菌效果隨 g-C₃N₄ 含量的增加而增強；通過不同膜對草莓保鮮度的影響實驗發現，g-C₃N₄/CS/PVA 復合膜在 96h 內能夠有效保持草莓的保鮮效果，而其他對比膜組的草莓在 48，72，96h 都有不同程度的變質、腐爛。 g-C₃N₄ 的加入不僅改善了膜的親水性和水蒸氣透過率，還在可見光照射下產生了 ?O₂^- 、·OH等ROS，進一步增強了膜的抗菌性能。

g-C₃N₄ 基復合材料具有優異的光催化性能，其在可見光照射下生成ROS，顯著增強了復合膜的抗菌性能，改善了膜的物理特性（如親水性、水蒸氣透過率），可有效延緩食品的腐敗變質，保持食品的新鮮度和營養價值，減少食品浪費，在食品保鮮應用中展現出巨大的潛力。然而，在實際應用過程中，光照條件是光催化效果的關鍵因素之一，還需要考慮光源的穩定性和可控性，以確保光催化效果的穩定性和可靠性。

4問題與展望

4.1 面臨的問題

通過形貌調控、貴金屬沉積、元素摻雜和異質結構建等手段對 g-C₃N₄ 進行功能化改性，可在一定程度上減少 的復合，增強氧化還原性，進而產生充足的ROS，提高 g-C₃N₄ 的抗菌活性，其在水消毒、抗菌敷料、抗菌紡織物和食品包裝等領域的應用研究已取得一定進展，彌補了 g-C₃N₄ 的不足，為進一步提高 g-C₃N₄ 光催化抗菌劑的應用性能提供了重要參考。然而， g-C₃N₄ 基光催化抗菌劑在抗菌機理和應用方面仍面臨一些問題。

1）抗菌機理盡管 g-C₃N₄ 光催化抗菌劑表現出優異的光催化抗菌性能，但其抗菌機理尚未完全闡明光催化過程中ROS與細菌細胞膜及內溶物破壞的關系。

2）抗菌廣譜性現有研究集中于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等常見菌株，鮮有涉及其他類型微生物，限制了其在不同場景的應用。

3）適應性在實際應用中， g-C₃N₄ 光催化抗菌劑可能會受到環境因素（如 ΔpH 值、溫度、光照強度等）的影響，表現出不穩定性。例如， pH 值的變化會影響 g-C₃N₄ 復合材料表面電荷的分布，從而影響其光催化反應的進行。

4.2 研究展望

未來，針對 g-C₃N₄ 基光催化抗菌劑的研究將聚焦于其在材料設計、抗菌性能優化與實際應用中的潛力，以應對日益嚴峻的微生物污染挑戰。主要研究集中在以下幾個方面。

1）深化機理研究進一步研究 g-C₃N₄ 基光催化劑所產生的ROS類型和抗菌機制。例如，使用電子順磁共振技術跟蹤·O₂^- 、·OH等自由基的生成情況，揭示其在抗菌過程中的貢獻。還可結合現代分子生物學技術，研究光催化劑與細菌細胞相互作用的具體路徑，利用氣相色譜、液相色譜、質譜等技術分析反應過程中中間產物的變化情況，深入了解自由基和其他活性物質破壞細菌細胞膜、蛋白質、DNA等的具體機制。

2）探索廣譜應用隨著耐藥性細菌的增多，開發針對這些細菌如對抗藥性大腸桿菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌以及常見的真菌（如白色念珠菌、霉菌等）的光催化抗菌劑顯得尤為重要，有利于拓展其在醫療和食品保鮮等領域的應用范圍。

3）提升其適應性合理構建 g-C₃N₄ 基光催化劑，提高其在極端pH值、不同溫度和光照強度下的穩定性，推動其在污水處理、醫療衛生和食品保鮮等領域的廣泛應用。

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