香港科技大学《Separation and Purifcation Technology》：利用光和电的力量的长寿命可消毒口罩

成果简介

迅速变异的病毒和日益恶化的空气污染导致了对口罩的巨大需求。然而，大多数商用口罩在长时间过滤空气颗粒物的能力上存在局限，并且无法灭活病原体。然而，如何同时实现长时间有效的过滤和灭活细菌一直是个难题。香港科技大学杨征保教授团队在《Separation and Purifcation Technology》期刊发表名为“Long-lifespan and Sterilizable Face Masks Leveraging the Power of Light and Electricity”的论文，研究报告了一种基于光（CuO-ZIF-8的光催化作用）和电（PVDF-TrFE的压电性）协同效应的高度杀菌、自充电和长寿命的口罩。该口罩通过利用PVDF-TrFE纳米纤维膜的高压电性能使其自动充电并增强静电吸附能力。此外，利用CuO-ZIF-8通过绿色可再生的太阳能进行光催化杀菌，是一种低碳、无毒的技术。

CuO-ZIF-8纳米材料与高速电纺PVDF-TrFE纳米纤维相结合，在良好的压降（约90帕，接近N95口罩的94帕）下，显示出高达99.67%的2.5 µm颗粒的过滤效率，1.0 µm颗粒的过滤效率为99.16%，0.3 µm颗粒的过滤效率为99.01%。光催化灭菌对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率达到99.999%。过滤寿命延长到30小时，比医用口罩长6-7倍。这项研究旨在解决自2019年以来口罩使用和废弃物带来的关键全球挑战，有助于应对PM2.5空气污染。此外，该研究整合了机械、电气、化学工程、应用物理学和纳米技术等广泛的跨学科领域的知识和技能，服务于环境和医疗保健。

图文导读

图1. 光/电协同作用实现高效空气过滤。（a）所提出的长寿命和可灭菌的面罩的示意图，实现了光和电的协同作用。（b）CuO-ZIF-8 & PVDF-TrFE（CP）过滤器的捕捉机制。（c）PVDF-TrFE纳米纤维膜在悬臂梁结构上弯曲27°时的输出电压；纳米纤维是通过静电纺丝机制备的，分别是3500 RPM和500 RPM的纺丝速度。（d）MOF过滤器在连续弯曲和摩擦100次后的重量变化，解决了吸入纳米颗粒的问题。（e）雷达图比较CP过滤器与商用口罩的性能。

图2. CuO-ZIF-8的光催化灭菌效果。（a）比较了CuO、Cu-ZIF-8和CuO-ZIF-8的杀菌性能。（b, c）CuO-ZIF-8存在下大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的失活动力学。（d）CuO-ZIF-8的能带位置与ROS形成电位的关系。

图3. 压电效应和电纺PVDF-TrFE纳米纤维的过滤机制。（a）悬臂梁结构的示意图。（b, c）PVDF-TrFE过滤器在3500 RPM和500 RPM下在不同弯曲角度下的输出电压。（d, e）低旋转速度和高旋转速度下PVDF-TrFE过滤器的随机取向偶极子和高度取向偶极子。（f, g）PVDF-TrFE过滤器在压缩/释放模式下的压电输出原理。（h）PVDF-TrFE过滤器（d33 = 41 pC N−1）在敲击模式下的电压信号。（i）PVDF-TrFE过滤器在缓慢呼吸、中等呼吸和快速呼吸下的电压信号。

图4. CuO-ZIF-8/PVDF-TrFE（CP）空气过滤器的过滤性能和耐久性。（a, b）压电CP空气过滤器在不同溶液用量和集尘器旋转速度下的过滤性能。（c）针对0.3微米颗粒的CP和外科口罩（SM）样品的长期性能测试。（d）CP过滤器性能的耐久性测试。

图5. CP口罩的抗菌性能。（a）生物气溶胶产生装置和三层CP口罩的图片。（b）经过30分钟照射后CP和N95口罩的顶层（T）、内层（I）和底层（B）上大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的残留水平。（c, d）经处理的口罩上残留的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细菌菌落（上为CP，下为N95）。

小结

在本研究中，我们探索了CuO-ZIF-8/PVDF-TrFE（CP）过滤器的光催化杀菌活性和过滤性能，并将其应用于口罩。CuO-ZIF-8复合纳米材料可以扩展ZIF-8的光吸收范围。它表现出显著的光催化抗菌行为（~ 99.999%），远远超过氧化锌和二氧化钛等常规半导体的性能。此外，CP过滤器的优异压电特性使其能够通过呼吸运动产生电荷，从而使过滤器对2.5 µm（99.67%）、1.0 µm（99.16%）和0.3 µm（99.01%）的颗粒物具有高效过滤能力。CP过滤器表现出长期稳定性（4周后过滤效率保持100%）和持续使用的卓越耐用性，在30小时操作后保持率超过94.15%。此外，它在减少微粒吸入方面表现出优异性能。连续佩戴CP过滤器8小时，与活性炭口罩相比，可将吸入微塑料的风险降低94.08%。基于上述性能，CuO-ZIF-8/PVDF-TrFE过滤器可以成为一种功能强大、全面的个人防护装备，包括PM和病原体气溶胶。尽管本研究仅将CuO-ZIF-8/PVDF-TrFE应用于口罩，但这一概念可以扩展到其他个人防护装备和纺织品。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128697