香港科技大學《Separation and Purifcation Technology》：利用光和電的力量的長壽命可消毒口罩

成果簡介

迅速變異的病毒和日益惡化的空氣污染導致了對口罩的巨大需求。然而，大多數商用口罩在長時間過濾空氣顆粒物的能力上存在局限，并且無法滅活病原體。然而，如何同時實現長時間有效的過濾和滅活細菌一直是個難題。香港科技大學楊征保教授團隊在《Separation and Purifcation Technology》期刊發表名為“Long-lifespan and Sterilizable Face Masks Leveraging the Power of Light and Electricity”的論文，研究報告了一種基于光（CuO-ZIF-8的光催化作用）和電（PVDF-TrFE的壓電性）協同效應的高度殺菌、自充電和長壽命的口罩。該口罩通過利用PVDF-TrFE納米纖維膜的高壓電性能使其自動充電并增強靜電吸附能力。此外，利用CuO-ZIF-8通過綠色可再生的太陽能進行光催化殺菌，是一種低碳、無毒的技術。

CuO-ZIF-8納米材料與高速電紡PVDF-TrFE納米纖維相結合，在良好的壓降（約90帕，接近N95口罩的94帕）下，顯示出高達99.67%的2.5?μm顆粒的過濾效率，1.0?μm顆粒的過濾效率為99.16%，0.3?μm顆粒的過濾效率為99.01%。光催化滅菌對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺滅率達到99.999%。過濾壽命延長到30小時，比醫用口罩長6-7倍。這項研究旨在解決自2019年以來口罩使用和廢棄物帶來的關鍵全球挑戰，有助于應對PM2.5空氣污染。此外，該研究整合了機械、電氣、化學工程、應用物理學和納米技術等廣泛的跨學科領域的知識和技能，服務于環境和醫療保健。

圖文導讀

圖1. 光/電協同作用實現高效空氣過濾。（a）所提出的長壽命和可滅菌的面罩的示意圖，實現了光和電的協同作用。（b）CuO-ZIF-8 & PVDF-TrFE（CP）過濾器的捕捉機制。（c）PVDF-TrFE納米纖維膜在懸臂梁結構上彎曲27°時的輸出電壓；納米纖維是通過靜電紡絲機制備的，分別是3500 RPM和500 RPM的紡絲速度。（d）MOF過濾器在連續彎曲和摩擦100次后的重量變化，解決了吸入納米顆粒的問題。（e）雷達圖比較CP過濾器與商用口罩的性能。

圖2. CuO-ZIF-8的光催化滅菌效果。（a）比較了CuO、Cu-ZIF-8和CuO-ZIF-8的殺菌性能。（b, c）CuO-ZIF-8存在下大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的失活動力學。（d）CuO-ZIF-8的能帶位置與ROS形成電位的關系。

圖3. 壓電效應和電紡PVDF-TrFE納米纖維的過濾機制。（a）懸臂梁結構的示意圖。（b, c）PVDF-TrFE過濾器在3500 RPM和500 RPM下在不同彎曲角度下的輸出電壓。（d, e）低旋轉速度和高旋轉速度下PVDF-TrFE過濾器的隨機取向偶極子和高度取向偶極子。（f, g）PVDF-TrFE過濾器在壓縮/釋放模式下的壓電輸出原理。（h）PVDF-TrFE過濾器（d33 = 41 pC N?1）在敲擊模式下的電壓信號。（i）PVDF-TrFE過濾器在緩慢呼吸、中等呼吸和快速呼吸下的電壓信號。

圖4. CuO-ZIF-8/PVDF-TrFE（CP）空氣過濾器的過濾性能和耐久性。（a, b）壓電CP空氣過濾器在不同溶液用量和集塵器旋轉速度下的過濾性能。（c）針對0.3微米顆粒的CP和外科口罩（SM）樣品的長期性能測試。（d）CP過濾器性能的耐久性測試。

圖5. CP口罩的抗菌性能。（a）生物氣溶膠產生裝置和三層CP口罩的圖片。（b）經過30分鐘照射后CP和N95口罩的頂層（T）、內層（I）和底層（B）上大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殘留水平。（c, d）經處理的口罩上殘留的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的細菌菌落（上為CP，下為N95）。

小結

在本研究中，我們探索了CuO-ZIF-8/PVDF-TrFE（CP）過濾器的光催化殺菌活性和過濾性能，并將其應用于口罩。CuO-ZIF-8復合納米材料可以擴展ZIF-8的光吸收范圍。它表現出顯著的光催化抗菌行為（~ 99.999%），遠遠超過氧化鋅和二氧化鈦等常規半導體的性能。此外，CP過濾器的優異壓電特性使其能夠通過呼吸運動產生電荷，從而使過濾器對2.5 μm（99.67%）、1.0 μm（99.16%）和0.3 μm（99.01%）的顆粒物具有高效過濾能力。CP過濾器表現出長期穩定性（4周后過濾效率保持100%）和持續使用的卓越耐用性，在30小時操作后保持率超過94.15%。此外，它在減少微粒吸入方面表現出優異性能。連續佩戴CP過濾器8小時，與活性炭口罩相比，可將吸入微塑料的風險降低94.08%。基于上述性能，CuO-ZIF-8/PVDF-TrFE過濾器可以成為一種功能強大、全面的個人防護裝備，包括PM和病原體氣溶膠。盡管本研究僅將CuO-ZIF-8/PVDF-TrFE應用于口罩，但這一概念可以擴展到其他個人防護裝備和紡織品。

文獻：

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