三维石墨烯口罩：从雾霾到细菌的阻击战

2020-04-28周文俊

广州化工 2020年7期

□文/周文俊

全球新冠病毒肺炎疫情爆发，口罩成为不少人出门首要装备。口罩如何佩戴更卫生、舒适？北京中关村科学城北区的实创科技园区企业成功研发新型石墨烯口罩，可连续使用超过48小时，是传统口罩的12倍以上，佩戴48小时后过滤效能仅降低4%。

始于阻挡PM2.5

2012年联合国环境规划署公布的《全球环境展望5》指出，每年有70万人死于因臭氧导致的呼吸系统疾病，有近200万的过早死亡病例与颗粒物污染有关。2013年10月17日，世界卫生组织下属国际癌症研究机构发布报告，首次指认大气污染是致癌元凶。随着PM2.5对环境造成不良影响、对人体造成损害逐渐被重视，公众的防护意识日益增强。

随着公众对呼吸健康意识的增强，口罩市场变得日渐活跃。口罩能阻挡有害物质进入佩戴者呼吸道。在呼吸道传染病流行期间，或在粉尘环境中作业时，戴口罩非常重要。

传统口罩依据材质不同，有棉布口罩、无纺布口罩、高分子材料口罩、活性炭粉滤芯口罩、活性炭纤维毡垫口罩等等。但并非所有口罩都能有效过滤PM2.5，且大部分口罩长时间佩戴后容易感到呼吸不畅、胸口憋闷。

市场上的防霾口罩要么通过缩小孔径来阻隔PM2.5，要么通过静电来吸附PM2.5。前者会因孔径小导致呼吸不畅，后者会因静电快速消失导致吸附效果急剧变差。随着天气转暖，透气、舒适、环保的新材料口罩又成热点。

石墨烯材料的青睐

石墨烯材料加入口罩原材料家族，直面以上两个问题而来。对人体有害的PM2.5，其当量直径小于等于2.5微米。而近几年一直倍受业界追捧的石墨烯材料，孔径只有PM2.5的八百五十分之一。石墨烯材料具有超大比表面积，3克石墨烯摊开能铺满一个足球场，选用石墨烯作为隔离层的口罩如同硬币一样薄。

但石墨烯口罩真正的黑科技，在于其使用了最新尖端材料——三维石墨烯。南京大学王昭群研究组通过“粒子构建法”，在石墨烯表面附着贵金属纳米粒子制得三元复合粒子，再将其在电极表面进行规整堆积，形成电子和介质的双通道网络结构，在纤维表面组装该复合粒子的阵列结构，从而制成高灵敏度的湿度传感器。

这种三维石墨烯材料的密度低达1mg/cm3，比表面积高达1000m2/g，还可以被极限挤压，最小挤压成其原始大小的5%，挤压后能够恢复初始形态。试验证明，即使经过1000次挤压依然保持完好无损，表明石墨烯微尘脱落问题也不再是个问题。

三维石墨烯在化学、食品加工和生物学等领域具有广阔的应用前景。它就像一个三维多孔的网状迷宫，将大小不一的颗粒污染物牢牢吸附。

超强颗粒捕获能力

中国科学院上海硅酸盐研究所科研团队成功研制出超强功能型三维石墨烯抗菌防雾霾口罩。这是我国科学家首次将三维石墨烯材料应用于防雾霾口罩中，经权威检测部门检测，其PM2.5过滤效率高达99.6%。

三维石墨烯材料具有极佳的有机体分子、雾霾颗粒捕获能力，其捕获率较活性碳同比提高3～5倍，高弹性多级纳米结构保证了气流通过的顺畅性。

三维石墨烯口罩的使用性能十分优越。首先，超大比表面积能大量吸附空气中的粉尘、颗粒;其次，其表面的含氧官能团能够快速捕获空气中的带电颗粒，并导出电子使其聚沉；第三，其优越的导电特性、量子点负载可以有效分解空气中有毒和有味的有害分子；第四，它能像一把锋利的刀片直接切割破坏细胞膜，抽取细胞膜上的磷脂分子，让细胞死亡，在负载银后抗菌性能会进一步增强；第五，能多孔自组装使得三维石墨烯薄膜具有高透气性。

通俗来说，三维石墨烯口罩能让气体顺利“绕道”进入呼吸道。由于比表面积大，石墨烯材料吸收雾霾颗粒时效长达160小时。