空气中的颗粒物 (PM) 污染物，尤其是纳米级的污染物，已经引起了严重的公共健康问题。全球对高性能和可回收口罩的需求急剧增加，尤其是在 COVID-19 大流行期间。然而，目前的口罩存在对PM0.3/病原体截留效率低、透气性差、无法重复使用和回收利用等问题。

东华大学覃小红教授和王黎明教授利用无针静电纺丝/喷射网状方法可快速制备具有分层结构的高性能、自杀菌和可回收口罩。在电纳米纤维支架(直径> 100 nm)上一层一层地焊接分散良好的碳纳米管网络(直径≈25 nm)，形成了多尺度的纳米结构纳米纤维/碳纳米管(NF/CNT)网络。

优化后的 NF/CNT 网络具有蓬松结构、分布窄的小孔（尺寸 ≈ 400 nm）、“自由分子流动”特性和静电吸附性能，从而表现出较高发过滤效率（> 99.994% PM0.3 去除）和低电阻（<0.05% 大气压）。此外，由于其独特的纳米结构，在 1 个太阳光照强度下展示了可靠且超快的光热驱动自杀菌（5 分钟内>99.986%）和无光照情况下电热驱动自杀菌（2 分钟内>99.9999%）。最重要的是，废弃的 NF/CNT 过滤器可以作为高性能太阳能蒸汽发生器完全回收利用，以淡化海水 (3.56 L m^-2d^-1)。这项工作为减少疾病传播、资源消耗和环境负担提供了一个很好的解决方案。相关研究成果以“Multi-Scale Nanoarchitectured Fibrous Networks for High-Performance, Self-Sterilization, and Recyclable Face Masks”为题，发表在期刊《Small》上。

图1 NF/CNT纤维网络的制备方法及特点。a) 用于制造 NF/CNT 纤维网络的不需要静电纺丝/喷网和热交联过程的示意图。b) ACF 掩模和 c) MBF 掩模，以及 d) NF 掩模和 e) NF/CNT 纤维网络的关键过滤层的 SEM 图像。f) ACF、g) MBF、h) NF 和 i) NF/CNT 纤维网络的纤维直径分布。j) ACF口罩、MBF口罩、NF 口罩和 NF/CNT 纤维网络的孔隙分布。k) 基于不同材料的口罩的典型孔径和空气阻力。l）球状静电纺丝过程中产生的多股喷射和大面积（1×0.7平方米）NF/CNT纤维网络的照片。m) NF/CNT 纤维网络的混合、折叠和悬挂测试的照片。n) PAN/PVP@CNT 纤维网络和 o) 交联的 PAN/FPVP@CNT 纤维网络的水接触角。p) PAN/PVP@CNT 纤维网络和交联 PAN/FPVP@CNT 纤维网络在水中超声处理 1 小时的结构稳定性图示。

NF/CNT纤维网络的制备

为了大规模生产直径可调的均匀 PAN NF，作者采用自制的球形静电纺丝装置，其中应用金属环以在空间中提供对称分布的电场。它能够从泰勒锥体的尖端抽出多个射流，并进行相同的电动拉伸和细长化。然后通过交替操作静电纺丝和喷涂获得可调的多层

NF/CNT 纤维网络。氟化聚乙烯吡咯烷酮（FPVP）作为碳纳米管的热交联剂和分散剂。热处理后，CNT 网络被牢固地焊接到 PAN 纳米纤维骨架上。红外光谱表明热处理前后样品的成分没有变化。此外，拉伸强度结果表明，热处理后样品的强度显著增加，这可能是由于热处理促进了熔融 FPVP 与 PAN NF 骨架的焊接。

构建高性能和自灭菌过滤器的关键特性

首先，其独特的尺寸允许过滤过程中的气体行为发生在 FMF 区域，从而有效降低空气阻力。其次，超薄碳纳米管创建超小孔以可靠地捕获颗粒。第三，碳纳米管具有优异的光热和电热转换潜力。

图2 单层NF/CNT单元的优化。a) NF/CNT-x 单元的示意图。b) NF/CNT-x 单元的基本重量。c) NF/CNT-x 单元的孔隙分布。d) NF/CNT-x 单元在 5.33 m s-1 流速下捕获 PM0.3 的去除效率和压降。e) NF/CNT-x 单元的质量因子值。 f) NF-y/CNT-2 单元的示意图。 g) NF-y/CNT-2 单元的基本重量。 h) NF-y/CNT-2 单元在 5.33 m s-1 流速下捕获 PM0.3 的去除效率和压降。i) NF-y/CNT-2 单元的质量因子值。

NF/CNT 纤维口罩可避免肺纤维化等疾病

目前的动物研究表明，吸入碳纳米管会引起呼吸效应，包括肺纤维化。因此，提高碳纳米管基材料的结构稳定性以避免碳纳米管脱落对于确保安全尤为重要。 为此，本研究做了以下工作：i) 将 CNT 封装在 PVP 中，并通过热交联将它们牢固地焊接到 NF 支架上，ii) 通过构建逐层结构将 CNT 层限制在 NF 支架层之间。一方面，除了碳管之间相互焊接形成的CNT网络薄层外，CNT网络薄层也与NF支架焊接良好。另一方面，由于使用的 CNT 长度（10-30 µm）远大于 NF 支架层的孔径（≈4 µm），多层 NF 支架包裹的 CNT 层也可以避免碳纳米管脱落。

图 3. 多层 NF/CNT 过滤器的优化。a）多层NF/CNT纤维网络示意图。b) 在 5.33 m s-1 的流速下捕获 PM0.3 的多层 NF/CNT 纤维网络的去除效率和压降。c) 多层 NF/CNT 纤维网络的质量因子值。d) 优化后的 NF/CNT 纤维网络在不同气流速度下的去除效率和压降。e) NF/CNT 纤维网络和商用空气过滤器的综合性能比较。f) 现有文献中报道的过滤效率与压降之间的关系。g) PAN 单元的静电势 (ESP)。h) 不同直径的单根纤维周围的气流模式。i) 不同纤维组件周围的气流模式。

图 4. 光驱动自杀菌特性。a) ACF、MBF 和 NF/CNT 纤维网络口罩的太阳光谱辐照度 (AM 1.5G) 和吸收曲线。b) 通过 NF/CNT 纤维网络传播的光波的抗反射原理示意图。c) NF/CNT 纤维网络与现有文献中报道的其他材料之间的太阳能吸收比较。d) 记录 ACF、MBF 和 NF/CNT 纤维网络口罩温度变化的红外图像。e) 1 个太阳光强度下表面温度随照射时间的变化曲线。f) NF/CNT 纤维网络在不同模拟太阳光下的平衡温度。g) ACF、MBF 和 NF/CNT 纤维网络口罩在 1 个太阳光照强度下的杀菌性能。

光驱动自杀菌特性

NF/CNT 纳米纤维网络的多尺度纳米结构，能够沿深度方向进行连续反射（图 4b）。顶部的薄碳纳米管网络具有与光波长相当的尺寸，可以通过多次折射和透射改变反射率。与 ACF 和 MBF 相比，NF/CNT 纤维网络显示出快速的光热响应（5 秒内 >70°C）和最高的平衡温度（≈92.8°C）。更重要的是，即使在 0.5 度阳光下也能达到超过 60°C 的平衡温度（图 4f），这足以在 15 分钟内杀死新型冠状病毒。

图 5. 电热驱动的自灭菌。 a) 由电热效应驱动的 NF/CNT 纤维网络的自灭菌示意图。b) 电热 NF/CNT 纤维网络的照片和红外图像。c) 设定温度与所需电流的关系。d) 以 5 秒的间隔施加电流时，电热 NF/CNT 纤维网络的温度变化。e) NF/CNT 纤维网络在不同设定温度下的热像图。f) 当施加小电流 2 分钟时，大肠杆菌菌落在营养琼脂固体平板上的分布照片。 g) 电热 NF/CNT 过滤器在不同外加电流下 2 分钟的杀菌性能。

电热驱动的自灭菌

NF/CNT 纳米结构纤维网络的另一个优点是它们的瞬时电热特性，即使在无光照的场景中也能快速自杀菌（图 5a）。本研究的具有多尺度纳米结构的 NF/CNT 纤维网络表现出均匀的温度分布（图 5b）。这是因为在 NF 支架上逐层焊接了薄的 CNT 网络，避免了由 CNT 团聚引起的局部过热。NF/CNT 纤维网络显示出一种灵敏的响应特性，即在施加电压时立即达到设定温度并在去除电压时迅速恢复到室温（图 5d、e）。此外，即使在长时间使用 30 分钟后，电热性能也很稳定。由于稳定和快速的响应，NF/CNT 纤维网络被用于电热驱动的自灭菌。如图 5f、g 所示，当施加 61 mA 的小电流 2 分钟时，具有 >99.9999% 的极高抗菌效率。

图 6. 耐用性和回收利用。a) 空气过滤，b) 光热，和 c) 反复润湿和干燥后太阳能驱动的杀菌性能。d) 滴水后的电热性能。e) 回收和利用最终丢弃的 NF/CNT 过滤器的路线。f) PAN 和 NF/CNT 过滤器的质量变化与时间曲线。g) 在密封室内自然光下收集清洁水的装置照片。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202105570