在自供能空氣過濾設備研究中取得重要進展

空氣污染是近年來人類所面臨的重大危害之一。根據對2017年全球疾病負擔研究的分析,空氣中的顆粒物污染(PM)已經成為導致我國死亡和壽命縮減的四大危險因素之一。根據空氣動力學直徑分類,PM污染可以被分為PM10(顆粒直徑<10 μm)、PM2.5(顆粒直徑<2.5 μm)以及納米級別的顆粒污染物(NP,空氣動力學直徑<1 μm)。其中,目前市面上常見的PM2.5口罩防護設備已經做到瞭對PM2.5級別污染物的理想防護。然而值得註意的是,對於具有更小動力學直徑的NP,它們具有更大的防護難度。與此同時,NP由於粒徑小,在空氣中更易形成氣溶膠,並長期懸浮在空氣當中。此外,NP能輕易進入並損失人體呼吸道、皮膚、大腦、肺和免疫系統,甚至造成DNA損傷。因此,對於NP防護設備的研究具有重要意義。

在自供能空氣過濾設備研究中取得重要進展
圖1. 過濾設備制備示意圖

基於此,四川大學陶國宏何玲團隊設計並制備瞭一種能高效去除常規PM污染以及更小粒徑的NP污染的自供能空氣過濾設備。通過對設備供給人體安全范圍內的低電壓,即可實現對顆粒污染的高效吸附。

在自供能空氣過濾設備研究中取得重要進展
圖2. ILP材料對PM污染物的吸附裝置及效率

該團隊結合瞭擁有良好電化學特性的功能材料——離子液體1-甲基-3-丁基咪唑鎓乙酸鹽([C4mim][OAc])以及具有良好可塑性的高分子,制備瞭可無規則分佈在多孔泡沫骨架上的導電高分子復合材料(ILP)。這種巧妙的設計既實現瞭材料與污染物的充分接觸,又降低瞭過濾設備前後的壓降。最終通過添加3 V的安全電壓,實現瞭對PM2.5、PM10以及NP的高效去除,效率達99.59%、99.75%以及93.77%。

在自供能空氣過濾設備研究中取得重要進展
圖3. 自供能便攜式口罩及其過濾效果
為實現材料的實際應用,研究人員嘗試將搭載ILP材料的過濾設備安裝到口罩上,結合紐扣鋰電池或者是太陽能電池板,制備瞭一種新型自供能過濾面罩。在無需外部電源情況下,制備瞭便攜式的高效頭戴式空氣過濾設備。通過研究表明,該設備具有一個良好的長期穩定性,與商用口罩對比,具有更好的顆粒去除效果。
這一成果近期發表在Nature Communications上,文章第一作者是碩士研究生張國浩,通訊作者陶國宏教授何玲副教授
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15502-7

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