美國(guó)東北大學(xué)祝紅麗教授課題組ACS Nano：光催化可再生的自清潔、可重復(fù)使用、可生物降解的抗菌防疫口罩

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2021年7月8日 11:30

美國(guó)東北大學(xué)祝紅麗教授課題組ACS Nano：光催化可再生的自清潔、可重復(fù)使用、可生物降解的抗菌防疫口罩的圖1

截止目前為止，新冠疫情仍在全球肆虐，對(duì)人類的生命健康和日常生活造成了極大的影響。做好個(gè)人防護(hù)，仍然是阻止新冠感染的一個(gè)有效方式。然而，佩戴傳統(tǒng)的個(gè)人防護(hù)口罩在全球范圍內(nèi)面臨新的挑戰(zhàn)，比如口罩供應(yīng)鏈成本的增加以及廢棄口罩帶來(lái)的塑料污染和二次感染。

近日，針對(duì)傳統(tǒng)個(gè)人防護(hù)用品的可重復(fù)使用次數(shù)低、不可二次利用、以及帶來(lái)的嚴(yán)重的塑料污染等問(wèn)題，美國(guó)東北大學(xué)祝紅麗教授團(tuán)隊(duì)利用可生物降解高分子，設(shè)計(jì)了一種具有光催化活性、可再生、可重復(fù)使用、可生物降解的具有良好抗菌性能的防護(hù)口罩。該口罩在日常太陽(yáng)光下照射10min即可實(shí)現(xiàn)100%殺菌活化，且再生后的口罩具有高達(dá)98%的過(guò)濾性能，良好的透氣性能，以及長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的過(guò)濾性能。

作者以可生物降解的聚乙烯醇(PVA)、聚環(huán)氧乙烷(PEO)和纖維素納米纖維(CNF)為原材料，通過(guò)靜電紡絲制備具有多孔結(jié)構(gòu)的納米網(wǎng)，同時(shí)對(duì)納米織物表面進(jìn)行酯化以獲得良好的疏水性能，再通過(guò)沉積氮摻雜的TiO₂ (N-TiO₂)賦予口罩光催化活性。在簡(jiǎn)單的太陽(yáng)光照射下，口罩即可實(shí)現(xiàn)滅菌自凈功能。

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作者所用的三種原料PVA、PEO和CNF不僅環(huán)保，還可相互相成大量氫鍵，從而顯著提高靜電紡絲織物的可加工性和納米網(wǎng)的力學(xué)性能。具有高效光催化活性的TiO₂成本低廉。TiO₂和N-TiO₂以3:7的比例混合使用，不僅能保證納米織物高效的光催化功能，還能保證納米織物良好的疏水性能。

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作者系統(tǒng)性地測(cè)試了口罩對(duì)大腸桿菌和口腔鏈球菌的殺菌效果。不管在0.1個(gè)模擬太陽(yáng)光（200?2500 nm, 106 W m^?2）下還是在自然光下，僅照射10分鐘即可達(dá)到100%的殺菌消毒效果。

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對(duì)口罩的拉伸強(qiáng)度和彈性模量的測(cè)定發(fā)現(xiàn)所制備的口罩具有10倍于商業(yè)口罩的彈性模量和3倍高的拉伸強(qiáng)度。與此同時(shí)，對(duì)口罩過(guò)濾性能的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，口罩具有98%以上的過(guò)濾性能和與商業(yè)口罩相差無(wú)幾的呼吸性能。如此良好的過(guò)濾性能和呼吸性能歸因于納米織物良好的多空結(jié)構(gòu)和高電壓靜電紡絲賦予口罩的良好靜電吸附力。

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除此之外，作者對(duì)口罩的重復(fù)使用性進(jìn)行表征。所制備口罩在三次循環(huán)使用后仍具有近100%的滅菌性能和穩(wěn)定的過(guò)濾性能，展現(xiàn)了改口罩良好的可重復(fù)使用性。

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最后，作者將所制備的納米織物做成了真實(shí)的可直接穿戴口罩，并對(duì)口罩的穿戴性和長(zhǎng)期過(guò)濾性能進(jìn)行了測(cè)試。與普通商業(yè)口罩一樣，該口罩具有良好的可穿戴性，并且在穿戴2h后仍然具有穩(wěn)定的過(guò)濾性能。相比之下，商業(yè)口罩在穿戴了1個(gè)小時(shí)之后過(guò)濾性能即開(kāi)始下降。該研究表明了所制備的口罩具有良好的市場(chǎng)推廣價(jià)值，對(duì)于生產(chǎn)下一代高效、環(huán)保的個(gè)人防護(hù)器具，應(yīng)對(duì)未來(lái)可能的全球公共衛(wèi)生危機(jī)具有重要的實(shí)際意義。

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以上成果發(fā)表在ACS Nano上（doi.org/10.1021/acsnano.1c03249）。文章第一作者為美國(guó)東北大學(xué)博士后李強(qiáng)，其現(xiàn)任美國(guó)Texas A&M大學(xué)高級(jí)研究員，長(zhǎng)期從事制漿造紙、生物精煉、木素碳纖維與碳材料、木材基生物材料與器件的研究。文章共同第一作者為美國(guó)東北大學(xué)生物系博士后殷永超博士。文章通訊作者為美國(guó)東北大學(xué)祝紅麗教授。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c03249

課題組組頁(yè)：

https://coe.northeastern.edu/research/hongli_group/

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