【文献解读】波士顿东北大学祝红丽团队ACS Nano: 基于光催化技术的自消毒、可重复使用和可生物降解COVID 19防疫口罩

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背景介绍

新型冠状病毒可通过短程气溶胶和打喷嚏、咳嗽、甚至说话和呼吸时产生的液滴传播。截止目前，全球范围内的新冠疫情仍在蔓延，对人类的生命健康安全造成极大地威胁。因此，做好个人防护，避免感病毒染在世界范围内仍然是一个紧迫而具有挑战性的问题。佩戴防护口罩是个人防护中最有效和最简便的方式。

目前，主要使用的口罩是N95防护口罩和医用口罩，这两种口罩含有一层薄薄的聚丙烯（PP）熔喷织物，可以过滤掉颗粒物和液滴。一般情况下，PP织物表面带有负电荷，从而提高口罩的过滤效率。然而，N95口罩最多重复使用5次，而医用外科口罩需每2-4小时更换一次，主要是由于其对细菌、病毒和飞沫过滤效率显著降低。而这一过程将产生的大量废弃口罩也将引发严重的环境问题，且口罩的焚烧过程中也容易产生新的污染物。更重要地是，若对携带病毒的口罩处理不当将可能导致二次感染的风险。因此，有效且适当的处理使用过的口罩对于塑料污染和二次感染来说都极为重要的问题。

近日，美国东北大学祝红丽教授团队设计了一种可重复使用、可生物降解和抗菌的防护口罩。文章第一作者为祝红丽教授课题组博士后李强博士（现任美国Texas A&M大学高级研究员），其长期从事制浆造纸、生物精炼、木素碳纤维与碳材料、木材基生物材料的研究。文章共同第一作者为美国东北大学生物系博士后殷永超博士。作者通过对聚乙烯醇(PVA)、聚环氧乙烷(PEO)和纤维素纳米纤维(CNF)进行静电纺丝制备具有孔隙结构纳米网，同时对纳米织物表面进行酯化和沉积氮掺杂TiO₂ (N-TiO₂)。所用三种原料PVA、PEO和CNF均为环保且可生物降解的聚合物材料，三者的复合也提高了静电纺丝织物的可加工性和力学性能。其中，TiO₂是一种高效的光催化半导体，具有优异的稳定性和成本效益。所制备含N-TiO₂/TiO₂的口罩在0.1模拟太阳光（200−2500 nm, 106 W m⁻²）或自然阳光下仅照射10分钟即可达到100%的杀菌消毒效果，这意味着使用过的口罩可以通过光线照射进行灭菌消毒和实现其重复利用。

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图文解读

本研究中，作者采用光催化的策略实现对口罩的杀菌和消毒作用，从而实现其重复利用。作者首先对TiO₂进行了N掺杂得到N-TiO₂，以提高其在可见光下的光催化效果，从而保证口罩的有效灭菌性。将PVA、PEO和CNF三者混合后经过静电纺丝得到具有微孔结构的纳米网，再将N-TiO₂与附着在纳米网上，得到兼具透气性和过滤性的口罩过滤材料，将其用于口罩中可实现对细菌、病毒和污染物的有效滤除，而可见光照射下N-TiO₂起到了高效的灭菌和消毒作用，保证了口罩的后续重复利用性。

作者首先对PVA和PVA+CNF进行静电纺丝发现，PVA较高的粘度使得混合液具有较差的可纺性，而PEO的加入有效降低了纺丝液的粘度，具有较好的静电纺丝效果，这主要是由于PEO与PVA之间具有较差的可混性和相容性。此外，CNF在纺丝液这一混合体系中可以作为兼容剂，它与PEO和PVA之间形成强烈氢键从而起到了加固的作用。

口罩的良好疏水性可以有效阻止液滴在其表面沉积，从而保证病菌不在口罩上粘附，并且提高其过滤效率。基于此，作者对CNF进行了酯化以提高其疏水性，并将TiO₂和N-TiO₂同时加入以保证织物的疏水性。

作者对口罩的杀菌性进行了对比探究，研究发现负载TiO₂和N-TiO₂的口罩在阳光照射之后具有近乎100%的杀菌效果。

对口罩的力学性能和过滤性能的测定发现你，所制备的口罩具有10倍于商业口罩的杨氏模量和3倍高的拉伸强度。与此同时，口罩还具有98%以上的过滤性能和与商业口罩相差无几的呼吸性能。这些研究表明所制备的口罩在品质上由于同类商业口罩。

对口罩的使用重复性进行探究发现，所制备口罩在三次循环使用后仍具有理想的过滤效果和灭菌性，表明口罩具有良好可重复使用性。

对口罩的穿戴性和长期过滤性能进行探究发现，所制备口罩在穿戴舒适，并且在穿戴2h后仍然表现出优异的过滤性能，表明口罩具有良好实际使用潜力。

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结论

为避免全球大量的废弃口罩引起二次感染和环境问题，作者设计了一种具有自消毒、可重复使用和可生物降解的防疫口罩。通过静电纺丝技术将N-TiO₂与PVA、PVA、CNF混合液织造得到具有透气性和过滤性的纳米织物，将其用于口罩中代替传统的石油基过滤织物，制备得到兼具自灭菌和可生物降解的防疫口罩。研究表明，所制备的口罩具有良好的力学强度、过滤性能、可穿戴性，在阳光下照射下仅仅10分钟就可实现优异的灭菌和消毒作用，且三次重复使用后仍具有理想的灭菌性和过滤效果。该研究对于新一代个人防护器具低能耗生产和环保性处理具有重要的实际意义。

祝红丽教授课题组链接

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

原文链接：

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

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