石墨烯口罩成本低至0.05美元!不仅可以自清洁,还能用来海水淡化

石墨烯口罩成本低至0.05美元!不仅可以自清洁,还能用来海水淡化

2019年的冠状病毒(COVID-19)影响了210多个国家和地区,并且主要通过呼吸道飞沫传播。在高风险地区,病人、医生、甚至普通民众都普遍使用一次性医用口罩。然而,目前的普通外科口罩存在不能自我消毒,重复使用或回收用于其他用途等问题。为了处理这些用过的口罩,大多数国家只能使用焚烧法处理此类医疗废物。产生的有毒气体和高碳排放会严重危害环境。那么问题来了,新型口罩该如何设计?

为此,香港理工大学李桂君课题组提出了一种独特的方法对市售口罩进行功能化处理,使其具有优异的自清洁和光热性能。研究人员采用双模激光诱导正向转移法,将多层石墨烯沉积到低熔点无纺布口罩上制备得到了—石墨烯口罩相关成果以“Reusable and Recyclable Graphene Masks with Outstanding Superhydrophobic and Photothermal Performances”发表在国际顶级期刊ACS nano

石墨烯口罩成本低至0.05美元!不仅可以自清洁,还能用来海水淡化
图1. 石墨烯口罩示意图

那么和普通商用口罩相比,石墨烯口罩都有哪些优异的性能呢?

1. 自清洁性(表面疏水性)

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图2. 石墨烯涂层的物理表征及疏水性

 

对激光转移石墨烯的微观结构和物理性质进行了系统的表征。用扫描电子显微镜观察涂层材料的微观结构,在纤维表面可以观察到纳米结构的薄片,为了确定这些纳米薄片的化学成分,使用拉曼光谱分析清楚地表明石墨烯的存在。根据2D峰值的位置和其峰值相对于D峰值的强度比,可以确定涂层为少层石墨烯。一般商用外科口罩大部分是通过熔喷无纺布聚合物制成的,其熔喷纤维是随机分布的。由于缺乏纳米结构,这些纤维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观察水滴自由移动,没有留下任何痕迹。因此,石墨烯涂层优异的超疏水性能可以显著提高飞沫的自清洁性能。

2. 可重复使用性(自消毒)

普通商用口罩对太阳光谱的吸收低,尤其是在可见光和近红外区域。而石墨烯口罩在300~2500 nm的整个太阳光谱中显示超过95%的吸收率。由于COVID-19病毒上的刺突蛋白对温度敏感,因此赋予了光热石墨烯涂层口罩以自灭菌的潜力。实验表明,普通口罩经5分钟太阳照射后温度低于45℃。相比之下,石墨烯口罩的表面温度在太阳照射40 s后迅速升高到70°C以上,在太阳照射100 s后保持在80°C以上,这与石墨烯超强的光热性能有关。根据病毒消毒信息,超过70°C的温度足以灭活大多数类型的病毒。

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图3. 石墨烯口罩的光热性能

3. 可回收利用性(海水淡化)

当病毒从地球上消失后,石墨烯口罩也有很大的潜力被回收用于其他用途。由于其优异的光热性能和多孔结构,可以直接用作太阳能蒸汽发生器。石墨烯口罩达到了每小时1.13公斤/平方米的太阳能蒸汽产生率,虽然该数值低于最新研究报道的蒸发量,但对于利用太阳能进行小规模的海水淡化来说已经足够,远高于原始口罩(仅为0.3公斤/平方米)。同时,这种石墨烯口罩在海水淡化中表现出了优异的长期稳定性和抗盐功能。当蒸发了10%的盐水时,与使用聚酰亚胺薄膜的太阳能蒸汽发生器相比,石墨烯口罩表现出明显的更好的抗盐性能,这是因为微尺度纤维中的微孔有助于更好的盐溶解通道。石墨烯口罩表面无明显的盐积累,连续蒸发100 h,蒸汽生成速率稳定在1公斤/平米以上。这表明石墨烯口罩用于长期海水淡化技术是可行的。

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图4. 石墨烯口罩的太阳能蒸汽产生性能

 

【总结】

这种通过双模激光划片制造的石墨烯涂层掩模表现出出色的超疏水和光热性能,也可以用在小型的海水淡化,具有巨大的可重复使用和可回收的潜力。关键是成本极低,每一个石墨烯口罩的成本估计为0.05美元,可以批量生产。因此,这些可重复使用和可回收的口罩可以提供经济、环保的解决方案,并为抗击肆虐的COVID-19病毒大流行提供更好的保护。

参考文献:

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

全文链接:

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

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