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莱斯大学科研团队开发石墨烯空气过滤器自带杀菌效果
《高分子科学前沿》微信公众号 / 时间:2019-10-10 12:09:44

  据高分子科学前沿微信公众平台2019年10月10日讯 听到石墨烯这个词,你会想到什么?一种二维碳材料?具有优异的导电性?导热性?那如果告诉你,石墨烯还能杀菌,还能做空气过滤器,你相信吗?
  近期,美国疾病控制和预防中心(CDC)的一项数据表明,疾病患者在就医过程中感染至少一种医疗相关感染(HAI)的概率为3.2%,3%的住院患者更是可能患有一种或多种HAI疾病。这种感染的发生是由空气中的污染物导致的,它们是由空气中的细菌、真菌、孢子和由飞沫、气溶胶和颗粒物携带的各种其他病原体沉积而成的。目前防止空气传播病原体的方法包括稀释通风、加压、定向通风、消毒和过滤。稀释通风通过内外空气交换降低了传染源的浓度。加压和定向气流通过控制空气传递的路径来防止感染性物质的传播,而消毒就是对感染性物质的灭活。过滤是通过空气循环去除感染性物质。一般地,加压和定向气流不会去除或破坏空气中的感染性物质,应与过滤和消毒等方法结合使用,并进一步集成至空气循环系统中。其中,在过滤系统运行过程中,污染物在过滤介质中将会不断积聚,导致过滤效率降低、能耗增加、流速降低。因此,空气过滤器需要定期更换,增加了过滤设备和系统的维护成本。此外,最常见的空气消毒方法为紫外线辐射消毒,但对于细菌来说,常规的紫外线辐射无法完全达到所有细菌的致死量,许多细菌仍然可以通过损伤修复而存活下来。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较高。
  基于此背景,近日,美国莱斯大学的詹姆斯·图尔(James M. Tour)教授团队在纳米科技领域著名刊物《ACS Nano》上发表了名为“Self-Sterilizing Laser-Induced Graphene Bacterial Air Filter”的论文,研究者制备了一种由激光诱导石墨烯(Laser-Induced Graphene,LIG)组成的自具杀菌效果的空气过滤器,LIG是由10.6μm,75W的商用CO2脉冲激光直接照射127μm的“Kapton”聚酰亚胺薄膜两侧,利用六边形图案高温碳化,即可得到具有导电性质的石墨烯区域,同时,由于上下表面图案化时错开,有一定位移,导致该区域形成了自具微孔的结构,并将其进一步组装成为过滤器。通过滤膜的微孔结构可以截留细菌和颗粒污染物,并对薄膜通电,利用石墨烯区域的周期性焦耳加热机制可产生局部超过300℃的高温,从而实现高效灭菌,具有一定的商业应用前景。
  图1为滤膜的制备示意图及其结构表征,值得注意的是,该滤膜自具微孔,平均孔径为2.86~8.94nm,可截留绝大部分的细菌和微粒,同时,材料的比表面积高达340平方米/克。


莱斯大学科研团队开发石墨烯空气过滤器自带杀菌效果

图1.LIG/PI滤膜的制备示意图及其结构表征(LIG区域面积为4.5×4.5平方厘米)


  将上述滤膜组装形成如图2所示的双层空气过滤器,在其另一端配有0.22μm的聚醚砜(PES)滤膜。对LIG滤膜区域施加电压,通过石墨烯的焦耳热效应,该区域将逐渐升温并最终可产生380 ℃的高温,足够杀死包括细菌在内的绝大多数病原体。


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图2.过滤器制备及其截留污染物,杀菌示意图


  研究者进一步对该空气过滤器对颗粒污染物的滤过作用展开评估,将香烟烟气透过LIG滤膜,并将过滤后的烟气溶于水中,对不同尺寸的颗粒污染物的浓度进行测试,结果如图3所示,显然,利用LIG滤膜,可基本完全截留200nm以上的污染物,对于200nm以下的污染物也展现出了良好的截留效果。


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图3.LIG空气过滤器对香烟烟气的过滤效果


  研究者对该过滤器的灭菌性能进行表征,将过滤后的滤膜浸入培养基中,超声处理,使其截留得到的细菌进入培养基中,并测试其光密度,从而间接表征细菌的数目,光密度越高,则表示体系中细菌数目越多。结果如图4所示,显然,LIG滤膜对细菌及其他微生物具有截留效果,通过通电加热后,细菌数目大大降低,展现出无需杀菌剂,可实现自杀菌,自清洁的功能。


莱斯大学科研团队开发石墨烯空气过滤器自带杀菌效果

图4.LIG过滤器的灭菌效果表征


  该研究工作制备得到的LIG空气过滤器具有优异的细菌及颗粒污染物的截留,同时通过自身的焦耳热效应,可获得超过300℃的局部高温,在无杀菌剂的作用下,即可通过高温高效灭菌,展现出来自杀菌,自清洁的功能,有望在未来应用于公共卫生,疾病防治等领域。

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