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兼具高效过滤和杀菌效果的个人防护用品材料

发表时间:2019/5/31

目前市场上的空气净化装置大多是依赖具有一定致密性和厚度的纤维网状滤芯,这些过滤器展现出优异的PM捕获效率,但不能实现对有害微生物的杀灭作用。随着细菌、真菌、病毒等的不断繁殖滋生,过滤器的使用寿命会大大降低。因此开发一种既能滤除PM颗粒又能杀菌的绿色环保综合式空气净化材料就显得尤为重要。

北京理工大学王博教授研究团队结合前期的研究工作制备了一系列具有光催化活性的金属—有机框架(MOFs),筛选了具有超高光催化杀菌活性的ZIF-8,实现对水体中大肠杆菌的高效杀灭。然后利用热压法设计合成了新型的高效综合空气过滤器(MOFilter),PM微粒捕获效率能达到98%以上,同时还可以杀灭空气中99.99%的细菌。


用于空气综合净化和个人防护的示意图


作者首先对比了一系列具有光催化活性的MOFs,实验结果表明,ZIF-8在模拟太阳光照射2 h之后,对大肠杆菌的杀灭效率大于99.9999%。通过ICP-MS和光催化杀菌实验验证了ZIF-8优异的杀菌性能主要来自于光催化产生的活性氧自由基,而不是释放的Zn2+的杀菌作用。同时与传统光催化杀菌半导体做了对比,ZIF-8光催化杀菌效果和速率都高于ZnO和TiO2


ZIF-8光催化杀菌性质


为了模拟真实的使用环境,作者合成了基于ZIF-8的MOFilter,用于滤除PM颗粒和光催化杀菌,且能实现大面积制备。实验结果表明,MOFilter对PM滤除率高达98%。同时经模拟太阳光照射30 min,MOFilter的空气杀菌率大于99.99%。把使用过的MOFilter随机剪裁出5片,并用液体培养基培养20 h,没有观察到细菌的恢复生长,进一步说明MOFilter真正实现了光催化杀菌。更重要的是,在细菌初始浓度为105CFU·mL-1的条件下,该MOFilter连续使用5次,其杀菌率均可以保持在99%以上,为该材料实现商品化奠定了基础。


MOFilter的表征及空气综合净化性质


为了实现个人防护功能,研究团队开发了一款基于MOFilter的个人防护用品(MOFilter口罩)。通过喷洒微生物气溶胶模拟真实使用场景,然后检测MOFilter口罩上的细菌存活率,光照30min后没有细菌存活。同时和商用的N95口罩做了对比,相同条件下,商用口罩残留大量的活菌。在此实验结果基础之上,作者也将ZIF-8热压在真丝布上,用于加工制备自清洁衣物。这项研究在个人防护方面具有极高的应用前景。


MOFilter口罩的个人防护性质


相关成果以《Metal-organic frameworks with photocatalytic bactericidal activity for integrated air cleaning》为题发表在《Nature Communications》上。


(来源:北京理工大学)