美国东北大学祝红丽教授课题组ACS Nano：光催化可再生的自清洁、可重复使用、可生物降解的抗菌防疫口罩

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截止目前为止，新冠疫情仍在全球肆虐，对人类的生命健康和日常生活造成了极大的影响。做好个人防护，仍然是阻止新冠感染的一个有效方式。然而，佩戴传统的个人防护口罩在全球范围内面临新的挑战，比如口罩供应链成本的增加以及废弃口罩带来的塑料污染和二次感染。

近日，针对传统个人防护用品的可重复使用次数低、不可二次利用、以及带来的严重的塑料污染等问题，美国东北大学祝红丽教授团队利用可生物降解高分子，设计了一种具有光催化活性、可再生、可重复使用、可生物降解的具有良好抗菌性能的防护口罩。该口罩在日常太阳光下照射10min即可实现100%杀菌活化，且再生后的口罩具有高达98%的过滤性能，良好的透气性能，以及长时间稳定的过滤性能。

作者以可生物降解的聚乙烯醇(PVA)、聚环氧乙烷(PEO)和纤维素纳米纤维(CNF)为原材料，通过静电纺丝制备具有多孔结构的纳米网，同时对纳米织物表面进行酯化以获得良好的疏水性能，再通过沉积氮掺杂的TiO₂ (N-TiO₂)赋予口罩光催化活性。在简单的太阳光照射下，口罩即可实现灭菌自净功能。

作者所用的三种原料PVA、PEO和CNF不仅环保，还可相互相成大量氢键，从而显著提高静电纺丝织物的可加工性和纳米网的力学性能。具有高效光催化活性的TiO₂成本低廉。TiO₂和N-TiO₂以3:7的比例混合使用，不仅能保证纳米织物高效的光催化功能，还能保证纳米织物良好的疏水性能。

作者系统性地测试了口罩对大肠杆菌和口腔链球菌的杀菌效果。不管在0.1个模拟太阳光（200−2500 nm, 106 W m⁻²）下还是在自然光下，仅照射10分钟即可达到100%的杀菌消毒效果。

对口罩的拉伸强度和弹性模量的测定发现所制备的口罩具有10倍于商业口罩的弹性模量和3倍高的拉伸强度。与此同时，对口罩过滤性能的测定发现，口罩具有98%以上的过滤性能和与商业口罩相差无几的呼吸性能。如此良好的过滤性能和呼吸性能归因于纳米织物良好的多空结构和高电压静电纺丝赋予口罩的良好静电吸附力。

除此之外，作者对口罩的重复使用性进行表征。所制备口罩在三次循环使用后仍具有近100%的灭菌性能和稳定的过滤性能，展现了改口罩良好的可重复使用性。

最后，作者将所制备的纳米织物做成了真实的可直接穿戴口罩，并对口罩的穿戴性和长期过滤性能进行了测试。与普通商业口罩一样，该口罩具有良好的可穿戴性，并且在穿戴2h后仍然具有稳定的过滤性能。相比之下，商业口罩在穿戴了1个小时之后过滤性能即开始下降。该研究表明了所制备的口罩具有良好的市场推广价值，对于生产下一代高效、环保的个人防护器具，应对未来可能的全球公共卫生危机具有重要的实际意义。

以上成果发表在ACS Nano上（doi.org/10.1021/acsnano.1c03249）。文章第一作者为美国东北大学博士后李强，其现任美国Texas A&M大学高级研究员，长期从事制浆造纸、生物精炼、木素碳纤维与碳材料、木材基生物材料与器件的研究。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。文章通讯作者为美国东北大学祝红丽教授。

论文链接：

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

课题组组页：

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

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