石墨烯口罩成本低至0.05美元!不僅可以自清潔,還能用來海水淡化

石墨烯口罩成本低至0.05美元!不僅可以自清潔,還能用來海水淡化

2019年的冠狀病毒(COVID-19)影響瞭210多個國傢和地區,並且主要通過呼吸道飛沫傳播。在高風險地區,病人、醫生、甚至普通民眾都普遍使用一次性醫用口罩。然而,目前的普通外科口罩存在不能自我消毒,重復使用或回收用於其他用途等問題。為瞭處理這些用過的口罩,大多數國傢隻能使用焚燒法處理此類醫療廢物。產生的有毒氣體和高碳排放會嚴重危害環境。那麼問題來瞭,新型口罩該如何設計?

為此,香港理工大學李桂君課題組提出瞭一種獨特的方法對市售口罩進行功能化處理,使其具有優異的自清潔和光熱性能。研究人員采用雙模激光誘導正向轉移法,將多層石墨烯沉積到低熔點無紡佈口罩上制備得到瞭—石墨烯口罩相關成果以“Reusable and Recyclable Graphene Masks with Outstanding Superhydrophobic and Photothermal Performances”發表在國際頂級期刊ACS nano

石墨烯口罩成本低至0.05美元!不僅可以自清潔,還能用來海水淡化
圖1. 石墨烯口罩示意圖

那麼和普通商用口罩相比,石墨烯口罩都有哪些優異的性能呢?

1. 自清潔性(表面疏水性)

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圖2. 石墨烯塗層的物理表征及疏水性

對激光轉移石墨烯的微觀結構和物理性質進行瞭系統的表征。用掃描電子顯微鏡觀察塗層材料的微觀結構,在纖維表面可以觀察到納米結構的薄片,為瞭確定這些納米薄片的化學成分,使用拉曼光譜分析清楚地表明石墨烯的存在。根據2D峰值的位置和其峰值相對於D峰值的強度比,可以確定塗層為少層石墨烯。一般商用外科口罩大部分是通過熔噴無紡佈聚合物制成的,其熔噴纖維是隨機分佈的。由於缺乏納米結構,這些纖維的表面是光滑的因而缺乏超疏水性能。而石墨烯口罩表面可以觀察水滴自由移動,沒有留下任何痕跡。因此,石墨烯塗層優異的超疏水性能可以顯著提高飛沫的自清潔性能。

2. 可重復使用性(自消毒)

普通商用口罩對太陽光譜的吸收低,尤其是在可見光和近紅外區域。而石墨烯口罩在300~2500 nm的整個太陽光譜中顯示超過95%的吸收率。由於COVID-19病毒上的刺突蛋白對溫度敏感,因此賦予瞭光熱石墨烯塗層口罩以自滅菌的潛力。實驗表明,普通口罩經5分鐘太陽照射後溫度低於45℃。相比之下,石墨烯口罩的表面溫度在太陽照射40 s後迅速升高到70°C以上,在太陽照射100 s後保持在80°C以上,這與石墨烯超強的光熱性能有關。根據病毒消毒信息,超過70°C的溫度足以滅活大多數類型的病毒。

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圖3. 石墨烯口罩的光熱性能

3. 可回收利用性(海水淡化)

當病毒從地球上消失後,石墨烯口罩也有很大的潛力被回收用於其他用途。由於其優異的光熱性能和多孔結構,可以直接用作太陽能蒸汽發生器。石墨烯口罩達到瞭每小時1.13公斤/平方米的太陽能蒸汽產生率,雖然該數值低於最新研究報道的蒸發量,但對於利用太陽能進行小規模的海水淡化來說已經足夠,遠高於原始口罩(僅為0.3公斤/平方米)。同時,這種石墨烯口罩在海水淡化中表現出瞭優異的長期穩定性和抗鹽功能。當蒸發瞭10%的鹽水時,與使用聚酰亞胺薄膜的太陽能蒸汽發生器相比,石墨烯口罩表現出明顯的更好的抗鹽性能,這是因為微尺度纖維中的微孔有助於更好的鹽溶解通道。石墨烯口罩表面無明顯的鹽積累,連續蒸發100 h,蒸汽生成速率穩定在1公斤/平米以上。這表明石墨烯口罩用於長期海水淡化技術是可行的。

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圖4. 石墨烯口罩的太陽能蒸汽產生性能

【總結】

這種通過雙模激光劃片制造的石墨烯塗層掩模表現出出色的超疏水和光熱性能,也可以用在小型的海水淡化,具有巨大的可重復使用和可回收的潛力。關鍵是成本極低,每一個石墨烯口罩的成本估計為0.05美元,可以批量生產。因此,這些可重復使用和可回收的口罩可以提供經濟、環保的解決方案,並為抗擊肆虐的COVID-19病毒大流行提供更好的保護。

參考文獻:

Reusable and Recyclable Graphene Masks with Outstanding Superhydrophobic and Photothermal Performances,  ACS Nano, 2020  DOI:10.1021/acsnano.0c02250

全文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02250

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