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  近日，南京師范大學(xué)未來光電功能材料研究中心甘志星、狄云松、劉慈慧團(tuán)隊與浙江寧波大學(xué)張曉偉合作，在ACS Applied Materials & Interfaces 報道了一種新型便攜式、低成本，可電熱消毒的石墨烯口罩，在口罩的可重復(fù)使用的相關(guān)研究中取得重要進(jìn)展。

  2019年爆發(fā)的冠狀病毒（COVID-19）仍在全球范圍內(nèi)肆意，其主要通過呼吸道飛沫傳播。截至11月26日6時30分左右，全球累計確診新冠肺炎病例60649402例，累計死亡病例1425006例，117個國家和地區(qū)確診病例超過萬例。佩戴醫(yī)用外科或N95等口罩可以有效防護(hù)，但是單個口罩的使用時長一般不能超過4小時，這導(dǎo)致口罩的消耗量巨大，口罩供應(yīng)也曾一度處于短缺狀態(tài)。在這樣的情況下，能否將經(jīng)過消毒后的口罩重復(fù)使用成為一個很現(xiàn)實的問題。且目前對廢棄口罩大都焚燒處理，給環(huán)境帶來負(fù)擔(dān)。

  2020年以來，關(guān)于口罩的可重復(fù)使用的研究迅速升溫，成為了科學(xué)家研究的關(guān)鍵議題之一。雖然目前已經(jīng)取得了眾多研究進(jìn)展，但是還存在一些亟需解決的問題：

• 首先，可重復(fù)使用口罩的細(xì)菌和病毒過濾效率有待進(jìn)一步提高；

• 其次，利用光熱效應(yīng)實現(xiàn)殺菌消毒的口罩存在一定的環(huán)境條件約束（需要較高的太陽強(qiáng)度）；

• 最后，如何簡化設(shè)備，實現(xiàn)低能耗、高效、便攜式的可消毒口罩仍存在挑戰(zhàn)。

  基于上述問題，南京師范大學(xué)未來光電功能材料研究中心甘志星、狄云松、劉慈慧團(tuán)隊與浙江寧波大學(xué)張曉偉合作，研制出一種新型便攜式、低成本，電熱消毒的可重復(fù)使用的石墨烯口罩，在口罩的可重復(fù)使用的相關(guān)研究中取得重要進(jìn)展。

  研究團(tuán)隊通過在熔噴布表面鋪設(shè)柔性電極，并涂覆一層具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的石墨烯，制備了新的口罩過濾層，實現(xiàn)了電熱消毒的可重復(fù)使用的功能。在3 V的低壓下工作，可以快速產(chǎn)生高于80 ℃的高溫，殺死附著在過濾層和口罩表面的大多數(shù)病毒。此研究開發(fā)的石墨烯口罩具有便攜性和可重用性。制作工藝與現(xiàn)有的口罩工藝兼容，方法簡單、成本低、環(huán)境友好，為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)鋪平了道路，可以大幅降低全球經(jīng)濟(jì)、資源消耗。

  首先，研究人員將導(dǎo)電布膠帶裁剪成特定的叉指電極型結(jié)構(gòu)鋪設(shè)在熔噴布表面，接著將水性改性樹脂和還原氧化石墨烯混合制成水性石墨烯導(dǎo)熱油墨，并涂覆于上述結(jié)構(gòu)表面，干燥后得到改進(jìn)后的新型過濾層。按照一次性醫(yī)用外科口罩的縫制工藝，制備了如圖1所示的口罩，并證實了新型石墨烯口罩具有優(yōu)異的電熱性能（圖2）和殺菌性能（圖3），以及較高的過濾性（圖4）。

圖1. 石墨烯過濾層以及石墨烯口罩的制備流程

圖2. 石墨烯過濾層的光熱、電熱性能測試

圖3. 石墨烯過濾層基于電熱效應(yīng)的滅菌性能測試

圖4. 石墨烯過濾層的微粒過濾效率測試

與其他口罩相比，該石墨烯口罩具有以下特點：

1. 具有高的微粒過濾效率（氣流速度為2 L/min，經(jīng)過12小時的長時間試驗，石墨烯過濾層的PM2.5過濾效率仍>95%）以及高效的電熱殺菌效率（通電15分鐘，滅菌率高達(dá)99.8%）；

2. 優(yōu)異的電熱性能（3 V的電壓下，可快速產(chǎn)生＞80 ℃的高溫）解決了基于光熱效應(yīng)實現(xiàn)殺菌消毒的可重復(fù)使用的口罩對于強(qiáng)光照的依賴性；

3. 經(jīng)過后續(xù)設(shè)計，可利用干電池、移動電源設(shè)備進(jìn)行高效消毒，實現(xiàn)了移動便攜功能。

  基于這些優(yōu)異的性能，研究人員有效解決了可重復(fù)使用口罩領(lǐng)域面臨的一系列重要問題，為醫(yī)療用品的進(jìn)一步研發(fā)，探索醫(yī)用外科口罩更好的性能，以及共同維護(hù)全球健康和抗擊疫情提供了新思路。

  此項工作由南京師范大學(xué)單曉莉、甘志星、劉慈慧、狄云松與浙江寧波大學(xué)張曉偉團(tuán)隊以及青島科技大學(xué)合作完成。其中，南京師范大學(xué)甘志星、劉慈慧以及浙江寧波大學(xué)張曉偉是該論文通訊作者，碩士生單曉莉是該論文的第一作者。該項研究受到山東省泰山學(xué)者青年專家、國家自然科學(xué)基金委、浙江省教育廳研究基金等項目的資助。

  原文鏈接：

  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