轻质石墨烯过滤器阻挡空气中的纳米颗粒

个人防护装备（PPE）的主要功能，包括口罩和手套，是过滤掉空气中存在的纳米颗粒气溶胶。

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研究：用于纳米级气溶胶的纳米多孔原子薄石墨烯过滤器。图片来源：Mopic / Shutterstock.com

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300nm的纳米颗粒，并且不能阻挡尺寸约为20-300nm的有害纳米颗粒气溶胶（例如病毒）。

最近，科学家们开发了一种轻巧且超紧凑的原子薄石墨烯滤光片，可以阻挡20nm以下尺寸的气雾化纳米颗粒。该研究可在 ACS Applied Materials and Interfaces中找到。

常规空气纳米颗粒过滤系统

纳米颗粒气溶胶含有毒素、污染物和有害病毒，例如流感病毒、冠状病毒和鼻病毒，其大小在直径在 20 到 300 nm 之间变化。虽然传统的空气过滤器，如95%效率过滤器（N95）和高效颗粒空气过滤器（HEPA），表现出优异的空气流速，但它们无法抑制尺寸小于300nm的纳米颗粒气溶胶。

可以阻挡300nm以下纳米颗粒气溶胶的口罩体积庞大，并且由于透气性低而产生热应力。为了提高PPE的适用性，实施了几种策略，重点是制造厚度更大的多孔聚合物，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，并且由于厚度高而导致透气性低。

通过引入孔隙率和开发可灭活病原体和降解有害物质的反应性有机或无机复合材料，改善了传统聚合物材料的透气性。为提高透气性而实施的其他一些技术是引入无纺布材料和通过纺丝聚合物方法开发中空纤维膜。

纳米材料过滤器，具有更高的透气性和过滤能力

使用纳米材料（例如垂直排列的碳纳米管（CNTs））制造膜，可以改善透气性和阻塞直径小于3nm的纳米颗粒气溶胶。然而，科学家们在调整CNT直径以靶向特定的气雾化纳米颗粒方面面临着挑战。

石墨烯是碳的同素异形体，具有原子薄度，化学坚固性，优异的机械强度和高纳米孔密度。由于具有更高的可调性，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纳米多孔石墨烯膜的新策略，用于过滤5至20nm之间的空气悬浮纳米颗粒，气流更大，即大约7.12×10⁻⁵ mol m⁻² s ⁻¹ Pa⁻¹.

通过化学气相沉积（CVD）方法，在铜（Cu）箔上新合成的单层石墨烯被转移到含有约200 nm尺寸孔隙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，在铜箔上合成的石墨烯有褶皱，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对放置在PCTE载体上的石墨烯的分析表明，大多数PCTE孔隙中含有石墨烯。

出现的大撕裂通过界面聚合（IP）技术修复。具有明确定义的圆柱形几何形状的PCTE支持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。表征这些纳米孔以估计离子和分子的扩散驱动流动，其尺寸范围在0.66nm和4nm之间。

最后，将石墨烯膜安装在专门设计的设置中，以确定它们在使用二氧化硅（SiO）过滤气溶胶纳米颗粒方面的性能。2）纳米粒子模型。膜的机械稳定性由穿孔钢板提供。目前的研究强调，通过增加支撑孔径和支撑孔隙率以及减少支撑厚度，可以提高透气性。

实验结果表明，PCTE载体上的单层石墨烯可以承受高达100巴的压力差。通过简单的氧等离子体蚀刻引入纳米孔有助于将压力值的变化率提高到3.50 mTorr/s（蚀刻时间60秒）和8.78 mTorr/s（90秒的蚀刻时间）。氧等离子体时间的进一步增加提高了压力变化速率，直到在180秒的蚀刻时间内达到13.11 mTorr/s。

利用SiO2纳米颗粒模型确定石墨烯滤光片的功效

选择二氧化硅气溶胶是因为它们是尺寸分布窄的固体球体。低浓度的 SiO2纳米颗粒用于排除石墨烯过滤器上涂层的形成。重要的是，在使用5 nm SiO进行测试之前和之后，压力变化率保持不变2纳米颗粒。

经过60秒蚀刻的石墨烯过滤器显示出压力速率的明显变化，这可能是由于纳米颗粒形成阻塞。这一发现表明过滤了尺寸约为5nm的气雾化纳米颗粒。

新开发的紧凑，轻巧，原子薄的石墨烯过滤器可以更有效地阻挡较小的纳米颗粒，并且可以应用于医学研究，太空，医疗保健等。

参考

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