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《ACS Nano》自帶殺菌效果的石墨烯空氣過濾器

發布時間:2019-10-10 16:37:46      閱讀211

  近期,美國疾病控制和預防中心(CDC)的一項數據表明,疾病患者在就醫過程中感染至少一種醫療相關感染(HAI)的概率為3.2%,3%的住院患者更是可能患有一種或多種HAI疾病。這種感染的發生是由空氣中的污染物導致的,它們是由空氣中的細菌、真菌、孢子和由飛沫、氣溶膠和顆粒物攜帶的各種其他病原體沉積而成的。目前防止空氣傳播病原體的方法包括稀釋通風、加壓、定向通風、消毒和過濾。稀釋通風通過內外空氣交換降低了傳染源的濃度。加壓和定向氣流通過控制空氣傳遞的路徑來防止感染性物質的傳播,而消毒就是對感染性物質的滅活。過濾是通過空氣循環去除感染性物質。一般地,加壓和定向氣流不會去除或破壞空氣中的感染性物質,應與過濾和消毒等方法結合使用,并進一步集成至空氣循環系統中。其中,在過濾系統運行過程中,污染物在過濾介質中將會不斷積聚,導致過濾效率降低、能耗增加、流速降低。因此,空氣過濾器需要定期更換,增加了過濾設備和系統的維護成本。此外,最常見的空氣消毒方法為紫外線輻射消毒,但對于細菌來說,常規的紫外線輻射無法完全達到所有細菌的致死量,許多細菌仍然可以通過損傷修復而存活下來。除此之外的消毒方法,如使用臭氧、光催化氧化等,往往效率更低且成本較高。
  基于此背景,近日,美國萊斯大學的James M. Tour教授團隊在納米科技領域著名刊物《ACS Nano》上發表了名為“Self-Sterilizing Laser-Induced Graphene Bacterial Air Filter”的論文,研究者制備了一種由激光誘導石墨烯(Laser-Induced Graphene, LIG)組成的自具殺菌效果的空氣過濾器,LIG是由10.6 µm, 75 W的商用CO2脈沖激光直接照射127 µm的“Kapton”聚酰亞胺薄膜兩側,利用六邊形圖案高溫碳化,即可得到具有導電性質的石墨烯區域,同時,由于上下表面圖案化時錯開,有一定位移,導致該區域形成了自具微孔的結構,并將其進一步組裝成為過濾器。通過濾膜的微孔結構可以截留細菌和顆粒污染物,并對薄膜通電,利用石墨烯區域的周期性焦耳加熱機制可產生局部超過300℃的高溫,從而實現高效滅菌,具有一定的商業應用前景。
  圖1為濾膜的制備示意圖及其結構表征,值得注意的是,該濾膜自具微孔,平均孔徑為2.86-8.94 nm,可截留絕大部分的細菌和微粒,同時,材料的比表面積高達340 m2g-1。

 

 


  圖1. LIG/PI濾膜的制備示意圖及其結構表征.(LIG區域面積為4.5×4.5 cm2)
  將上述濾膜組裝形成如圖2所示的雙層空氣過濾器,在其另一端配有0.22 µm的聚醚砜(PES)濾膜。對LIG濾膜區域施加電壓,通過石墨烯的焦耳熱效應,該區域將逐漸升溫并最終可產生380 ℃的高溫,足夠殺死包括細菌在內的絕大多數病原體。

 


  圖2. 過濾器制備及其截留污染物,殺菌示意圖.
  研究者進一步對該空氣過濾器對顆粒污染物的濾過作用展開評估,將香煙煙氣透過LIG濾膜,并將過濾后的煙氣溶于水中,對不同尺寸的顆粒污染物的濃度進行測試,結果如圖3所示,顯然,利用LIG濾膜,可基本完全截留200 nm以上的污染物,對于200 nm以下的污染物也展現出了良好的截留效果。

 


  圖3. LIG空氣過濾器對香煙煙氣的過濾效果.
  研究者對該過濾器的滅菌性能進行表征,將過濾后的濾膜浸入培養基中,超聲處理,使其截留得到的細菌進入培養基中,并測試其光密度,從而間接表征細菌的數目,光密度越高,則表示體系中細菌數目越多。結果如圖4所示,顯然,LIG濾膜對細菌及其他微生物具有截留效果,通過通電加熱后,細菌數目大大降低,展現出無需殺菌劑,可實現自殺菌,自清潔的功能。

 


  圖4. LIG過濾器的滅菌效果表征.
  該研究工作制備得到的LIG空氣過濾器具有優異的細菌及顆粒污染物的截留,同時通過自身的焦耳熱效應,可獲得超過300 ℃的局部高溫,在無殺菌劑的作用下,即可通過高溫高效滅菌,展現出來自殺菌,自清潔的功能,有望在未來應用于公共衛生,疾病防治等領域。
  來源:高分子科學前沿

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