PPE 广泛用于医学研究、执法、医疗保健和军事应用。传统的 PPE 只能过滤尺寸大于 300 nm 的纳米颗粒，无法阻挡尺寸约为 20-300 nm 的有害纳米颗粒气溶胶（例如病毒）。

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最近，科学家们开发了一种轻量级和超紧凑的原子级薄石墨烯过滤器，可以阻挡尺寸在 20 nm 以下范围内的雾化纳米颗粒。这项研究发表在 ACS Applied Materials and Interfaces 上。

过滤空气中的纳米粒子的常规系统

　　纳米气溶胶含有毒素、污染物和有害病毒，如流感病毒、冠状病毒和鼻病毒，其直径在20到300纳米之间不等。虽然传统的空气过滤器，如95%效率过滤器(N95)和高效微粒空气过滤器(HEPA)，表现出优越的空气流速，但它们无法抑制尺寸小于300 nm的纳米气溶胶。

　　能够阻挡300纳米以下的纳米气溶胶的口罩体积庞大，而且由于透气性低，会产生热应力。为了提高聚醚醚酮的适用性，采用了几种策略，重点是制造更厚的多孔聚合物，可以过滤掉纳米颗粒气溶胶毒素、病原体和污染物。这种方法的两个主要缺点是由于不可避免的泄漏而无法提供长期保护，以及由于高厚度导致的低透气性。

　　通过引入多孔性和开发活性有机或无机复合材料，使病原体失活和有害物质降解，传统高分子材料的透气性得到了改善。其他一些提高透气性的技术包括无纺布材料的引入和通过纺丝聚合物方法开发中空纤维膜。

具有改进的透气性和过滤能力的基于纳米材料的过滤器

　　使用纳米材料(如垂直排列的碳纳米管(CNTs))制造膜可以改善透气性，并可阻塞直径小于3纳米的纳米微粒。尽管如此，科学家们在调整碳纳米管直径以靶向特定的雾化纳米颗粒方面面临挑战。

石墨烯是碳的同素异形体，具有原子厚度、化学稳定性、优越的机械强度和高的纳米孔密度。由于可调性强，这种材料有助于尺寸选择性分离。最近，科学家们展示了一种制造原子薄的纳米多孔石墨烯薄膜的新策略，该薄膜可在较大的气流(约7.12 × 10

−5 mol m−2 s−1 Pa−1)下过滤空气中5到20 nm大小的纳米微粒。

　　通过化学气相沉积 (CVD) 方法，将铜 (Cu) 箔上新合成的单层石墨烯转移到含有大约 200 nm 孔的聚碳酸酯轨迹蚀刻 (PCTE) 膜载体上。扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示，铜箔上的合成石墨烯有褶皱，表明石墨烯层是连续的。具有特征石墨烯峰的拉曼光谱证实了高质量单层石墨烯薄膜的合成。通过 SEM 分析放置在 PCTE 载体上的石墨烯表明，大多数 PCTE 孔隙都含有石墨烯。

　　通过界面聚合 (IP) 技术修复出现的大撕裂。具有明确圆柱几何形状的 PCTE 支撑可以密封石墨烯层中的撕裂。它还密封了其他宏观缺陷。IP 后，通过石墨烯晶格的简单等离子体蚀刻引入纳米孔。这些纳米孔的特征在于估计离子和分子的扩散驱动流动，其尺寸范围在 0.66 nm 和 4 nm 之间。

　　最后，将石墨烯薄膜安装在专门设计的装置中，利用二氧化硅(SiO2)纳米颗粒模型来确定其过滤气溶胶纳米颗粒的性能。膜的机械稳定性由穿孔钢板提供。目前的研究强烈强调，通过增加支撑孔径和支撑孔隙度，同时减少支撑厚度，可以获得更高的空气渗透性。

　　实验结果显示，PCTE支架上的单层石墨烯可以承受高达100巴的压差。通过氧等离子体刻蚀引入纳米孔，使压力值的变化率提高到3.50 mTorr/s(刻蚀时间60秒)和8.78 mTorr/s(刻蚀时间90秒)。氧等离子体时间的进一步增加提高了压力变化的速率，直到在180秒的腐蚀时间内达到13.11 mTorr/s。

利用SiO2纳米粒子模型测定石墨烯过滤器的效能

　　选择二氧化硅气溶胶是因为它们是固体球体，尺寸分布较窄。低浓度的SiO2纳米颗粒被用来排除在石墨烯过滤器上形成涂层。重要的是，在测试5 nm SiO2纳米颗粒前后，压力的变化速率保持不变。

　　经过 60 秒蚀刻的石墨烯过滤器显示出压力率的明显变化，这可能是由于纳米颗粒形成了阻塞。这一发现表明可以过滤尺寸约为 5 nm 的雾化纳米颗粒。

新开发的紧凑、重量轻、原子级薄的石墨烯过滤器可以更有效地阻挡更小的纳米粒子，可应用于医学研究、太空、医疗保健等领域。

文献信息：

Cheng, P. et al. (2022) Nanoporous Atomically Thin Graphene Filters for Nanoscale Aerosols. ACS Applied Materials and Interfaces. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c10827

文章来源：公众号【Carbontech】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。

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