南京师范大学甘志星、狄云松、刘慈慧团队在可电热消毒的石墨烯口罩方面取得新进展

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近日，南京师范大学未来光电功能材料研究中心甘志星、狄云松、刘慈慧团队与浙江宁波大学张晓伟合作，在ACS Applied Materials & Interfaces 报道了一种新型便携式、低成本，可电热消毒的石墨烯口罩，在口罩的可重复使用的相关研究中取得重要进展。

2019年爆发的冠状病毒（COVID-19）仍在全球范围内肆意，其主要通过呼吸道飞沫传播。截至11月26日6时30分左右，全球累计确诊新冠肺炎病例60649402例，累计死亡病例1425006例，117个国家和地区确诊病例超过万例。佩戴医用外科或N95等口罩可以有效防护，但是单个口罩的使用时长一般不能超过4小时，这导致口罩的消耗量巨大，口罩供应也曾一度处于短缺状态。在这样的情况下，能否将经过消毒后的口罩重复使用成为一个很现实的问题。且目前对废弃口罩大都焚烧处理，给环境带来负担。

2020年以来，关于口罩的可重复使用的研究迅速升温，成为了科学家研究的关键议题之一。虽然目前已经取得了众多研究进展，但是还存在一些亟需解决的问题：

• 首先，可重复使用口罩的细菌和病毒过滤效率有待进一步提高；

• 其次，利用光热效应实现杀菌消毒的口罩存在一定的环境条件约束（需要较高的太阳强度）；

• 最后，如何简化设备，实现低能耗、高效、便携式的可消毒口罩仍存在挑战。

基于上述问题，南京师范大学未来光电功能材料研究中心甘志星、狄云松、刘慈慧团队与浙江宁波大学张晓伟合作，研制出一种新型便携式、低成本，电热消毒的可重复使用的石墨烯口罩，在口罩的可重复使用的相关研究中取得重要进展。

研究团队通过在熔喷布表面铺设柔性电极，并涂覆一层具有导电、导热性能的石墨烯，制备了新的口罩过滤层，实现了电热消毒的可重复使用的功能。在3 V的低压下工作，可以快速产生高于80 ℃的高温，杀死附着在过滤层和口罩表面的大多数病毒。此研究开发的石墨烯口罩具有便携性和可重用性。制作工艺与现有的口罩工艺兼容，方法简单、成本低、环境友好，为大规模工业化生产铺平了道路，可以大幅降低全球经济、资源消耗。

首先，研究人员将导电布胶带裁剪成特定的叉指电极型结构铺设在熔喷布表面，接着将水性改性树脂和还原氧化石墨烯混合制成水性石墨烯导热油墨，并涂覆于上述结构表面，干燥后得到改进后的新型过滤层。按照一次性医用外科口罩的缝制工艺，制备了如图1所示的口罩，并证实了新型石墨烯口罩具有优异的电热性能（图2）和杀菌性能（图3），以及较高的过滤性（图4）。

图1. 石墨烯过滤层以及石墨烯口罩的制备流程

图2. 石墨烯过滤层的光热、电热性能测试

图3. 石墨烯过滤层基于电热效应的灭菌性能测试

图4. 石墨烯过滤层的微粒过滤效率测试

与其他口罩相比，该石墨烯口罩具有以下特点：

1. 具有高的微粒过滤效率（气流速度为2 L/min，经过12小时的长时间试验，石墨烯过滤层的PM2.5过滤效率仍>95%）以及高效的电热杀菌效率（通电15分钟，灭菌率高达99.8%）；

2. 优异的电热性能（3 V的电压下，可快速产生＞80 ℃的高温）解决了基于光热效应实现杀菌消毒的可重复使用的口罩对于强光照的依赖性；

3. 经过后续设计，可利用干电池、移动电源设备进行高效消毒，实现了移动便携功能。

基于这些优异的性能，研究人员有效解决了可重复使用口罩领域面临的一系列重要问题，为医疗用品的进一步研发，探索医用外科口罩更好的性能，以及共同维护全球健康和抗击疫情提供了新思路。

此项工作由南京师范大学单晓莉、甘志星、刘慈慧、狄云松与浙江宁波大学张晓伟团队以及青岛科技大学合作完成。其中，南京师范大学甘志星、刘慈慧以及浙江宁波大学张晓伟是该论文通讯作者，硕士生单晓莉是该论文的第一作者。该项研究受到山东省泰山学者青年专家、国家自然科学基金委、浙江省教育厅研究基金等项目的资助。

原文链接：

Xiaoli Shan, Han Zhang, Cihui Liu,* Liyan Yu, Yunsong Di, Xiaowei Zhang,* Lifeng Dong, and Zhixing Gan*, Reusable Self-Sterilization Masks Based on Electrothermal Graphene Filters. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020.

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c16754

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