分层笼状超柔纳米纤维气凝胶,实现可再生抗菌空气过滤

病原空气净化已成为感染防控的重要组成部分。现有的空气过滤器大多难以同时达到优良的空气过滤性能和有效灭活空气中的病原体。最近,东华大学科研团队报道了一种自下而上的方法,通过结合电纺二氧化硅纳米纤维细菌纤维素纳米纤维疏水性 Si-O-Si 弹性粘合剂,构建具有可再生抗菌性能笼状结构超柔性纳米纤维气凝胶(CSA)。

分层笼状超柔纳米纤维气凝胶,实现可再生抗菌空气过滤图1 a) 显示 CSA 制造的插图。b)气凝胶表面斥水的动态测量光学照片。c)气凝胶的可折叠特性。d)一张光学照片,显示人的头发支撑着气凝胶(密度为 0.28 mg cm-3)而没有变形。e)大尺度二氧化硅纳米纤维膜和尺寸约为 30 cm × 40 cm × 1 cm 的气凝胶的光学照片。f-i) 不同放大倍数下制备的气凝胶的微观结构。

分层笼状超柔纳米纤维气凝胶,实现可再生抗菌空气过滤图2 a)气凝胶笼状结构的形成机制。b) 作用在 BC 纳米纤维上的力的图示。c)BC 分子模型和代表性 d) Si-O-Si网络模型的理论上优化的几何形状和平衡校正的相互作用能。e-h) 分别来自 0、10、20 和 30 wt% 的各种 BC 含量的笼状结构气凝胶的 SEM 图像。i) 具有不同 BC 纳米纤维含量的 CSA 的孔径分布。j)来自不同 BC 含量的气凝胶的 PM0.3 去除效率和压降。k) 空气过滤过程中 CSA-0 和 CSA-20 的模拟气流压力场。

以下 N-卤胺化合物的有效接枝赋予 CSA 杀菌功能。由此产生的气凝胶具有高孔隙率、疏水性、超弹性、可折叠性、可再生氯化能力 (>5400 ppm)、对 PM0.3 的高过滤性能 (>99.97%, 189 Pa) 以及优异的抗菌和抗病毒活性 (6 log 5 分钟内减少),使气凝胶能够拦截和灭活空气中的致病污染物。CSA的成功合成为设计用于公共卫生保护的高性能空气过滤材料提供了新的可能性。

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图3 a) 具有各种最大应变的 CSA 的压缩应力与应变曲线。b) 50% 应变下 1000 次循环压缩。c)作为测试循环函数的最大应力、杨氏模量和能量损失系数。d) 气凝胶的粘弹性。e)所选低密度蜂窝材料的杨氏模量 (E/Es) 和密度 (ρ/ρs) 之间的关系。f)作为压缩循环函数的储能模量、损耗模量和阻尼比。g)具有各种最大屈曲应变的气凝胶的应力-应变曲线。h) 1000 次循环屈曲实验,应变为 100%。i) 气凝胶在 100000 次循环屈曲循环中的储能模量、损耗模量和阻尼比。

分层笼状超柔纳米纤维气凝胶,实现可再生抗菌空气过滤图4 a) 显示气凝胶的空气过滤程序的插图。b)10 次循环氯化实验中气凝胶的活性氯含量。c)分别在 0 和 2000 年 COD 条件下制备的 CSA 和 CSA-Cl 对大肠杆菌的杀菌动力学。d)针对 CSA 和 CSA-Cl 的噬菌体的杀生物试验。e)CSA-Cl 的可再生抗菌和抗病毒特性。f)含病毒的气溶胶发生器和使用气凝胶和3M 过滤器的抗病毒测试。g,h)选定的三个过滤器区域的抗病毒特性。

相关论文以题为Tailoring Nanonets-Engineered Superflexible Nanofibrous Aerogels with Hierarchical Cage-Like Architecture Enables Renewable Antimicrobial Air Filtration发表在《Advanced Functional Materials》上。通讯作者是东华大学斯阳特聘研究员,和丁彬教授。

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