DOI: 10.1021/acsnano.2c09165

在COVID-19大流行期间，聚合物基呼吸面罩的大规模生产再次引发了不可回收塑料废物的环境污染问题。为了缓解这一问题，应重新设计传统过滤器，提高整个使用寿命期内的过滤性能，同时使其最终也能自然降解。在此，本研究开发了一种功能性、可生物降解的聚合物过滤膜，由聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）基质与十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和蒙脱石（MMT）粘土混合而成，通过阳离子交换反应对其表面性质进行改性，以在有机溶剂中与PBAT良好混溶。特别是，在静电纺丝过程中，部分核壳结构（即，由CTAB-MMT壳包裹的PBAT核）的自发演化放大了摩擦电效应以及在初始PBAT中未观察到的抗菌/抗病毒活性。与依赖于静电吸附机制的传统面罩过滤器不同，静电吸附机制随着时间的推移和/或由于外部环境因素而恶化，由于CTAB-MMT的摩擦电效应，基于PBAT@CTAB-MMT纳米纤维膜（NFM）的过滤器在表面持续保持静电电荷。因此，基于PBAT@CTAB-MMT NFM的过滤器在其使用寿命期内即使在40Pa或更低的低压差下仍具有较高的过滤效率（98.3%，PM0.3）。总之，本研究不仅提出了一种有效且实用的解决方案，以提高过滤膜的性能，同时最大限度地减少了其对环境的影响，而且还为具有协同功能的有机-无机混合材料在过滤膜以外的应用提供了宝贵的见解。

图1.基于PBAT@CTAB-MMT纳米纤维膜（NFM）的过滤器的合成与表征。（a）多功能面罩过滤器结构示意图和PBAT@CTAB-MMT NFM的特性。（b）通过阳离子交换反应合成的CTAB-MMT以及PBAT@CTAB-MMT纳米复合材料的示意图。（c）纯MMT和CTAB-MMT的XRD图谱。（d）PBAT和CTAB-MMT混合的剥落行为。

图2.PBAT@CTAB-MMT纳米纤维的表征。（a）使用PBAT@CTAB-MMT纳米复合溶液静电纺丝的示意图。（b,c）（b）PBAT纳米纤维（顶部）和（c）PBAT@CTAB-MMT（底部）的扫描电子显微镜（SEM）图像。（d）PBAT@CTAB-MMT纳米纤维的TEM图像。（e）PBAT@CTAB-MMT纳米纤维的能量色散X射线光谱（EDS）图（所有比例尺：80nm）。（f,g）用于比较去离子水（DIW）浸渍实验前后CTAB提取的SEM图像。（f）PBAT@CTAB-MMT NFM（顶部）和（g）CTAB-PBAT NFM（底部）。（h）PBAT@CTAB-MMT NFM（右）和CTAB-PBAT NFM（左）中CTAB提取程度的质谱（MS）分析。

图3.PBAT@CTAB-MMT NFM的抗菌试验。（a,b）通过纸片扩散法抗生素敏感性试验测得的（a）PBAT NFM和（b）PBAT@CTAB-MMT NFM对典型革兰氏阳性致病性金黄色葡萄球菌的抑菌圈照片。（c,d）通过琼脂平板计数法分析金黄色葡萄球菌的增殖或减少。（c）对照、基板、PBAT NFM和PBAT@CTAB-MMT NFM的光学照片。（d）使用琼脂平板计数技术测量对照、基板、PBAT NFM和PBAT@CTAB-MMT NFM的时间依赖性抗菌活性。

图4.PBAT@CTAB-MMT NFM的TCID50分析。（a）PBAT NFM、CTAB-PBAT NFM和PBAT@CTAB-MMT NFM的流感病毒TCID50分析及（b）灭活率。（c）PBAT NFM、CTAB-PBAT NFM和PBAT@CTAB-MMT NFM的人冠状病毒TCID50分析及（d）灭活率。

图5.PBAT@CTAB-MMT NFM的摩擦电性能。（a）使用PBAT@CTAB-MMT NFM制备的TENG原型示意图。（b）PBAT NFM、CTAB-PBAT NFM和PBAT@CTAB-MMT NFM的输出电压性能比较。（c,d）不同压力和速度条件下摩擦电输出性能（开路电压）的比较：（c）1、10和100N（3Hz），（d）0.25、1和3Hz（10N）。（e,f）（e）不同压力（1、10和100N）和（f）不同速度（0.25、1和3Hz）下，根据输出性能计算的累积表面静电值。插图为COMSOL多物理场仿真。（g）原型TENG的重复性和耐久性评估（30个循环）。

图6.过滤效率评估以及作为面罩过滤器的应用。（a）含PBAT@CTAB-MMT NFM的面罩过滤器的照片。（b）过滤器效率测量仪器（TSI过滤器测试仪）和超细纳米粒子行为（NaCl：深橙色）的示意图。（c）使用PBAT@CTAB-MMT NFM进行过滤器效率测试前（顶部）和后（底部）的SEM图像。（d-f）（d）PBAT NFM和PBAT@CTAB-MMT NFM基过滤器的过滤效率评估，（e）压降评估，以及（f）品质因数（QF）。（g）10个重复充电和放电步骤中基于PBAT@CTAB-MMT NFM的过滤器的过滤性能。（h）使用静电纺丝技术制备的各种纳米纤维过滤器的基重和QF比较。