空氣汙染是近年來人類所面臨的重大危害之一。根據對2017年全球疾病負擔研究的分析，空氣中的顆粒物汙染(PM)已經成為導致我國死亡和壽命縮減的四大危險因素之一。根據空氣動力學直徑分類，PM汙染可以被分為PM10（顆粒直徑＜10 μm）、PM2.5（顆粒直徑＜2.5 μm）以及納米級別的顆粒汙染物（NP，空氣動力學直徑＜1 μm）。其中，目前市面上常見的PM2.5口罩防護設備已經做到了對PM2.5級別汙染物的理想防護。然而值得注意的是，對於具有更小動力學直徑的NP，它們具有更大的防護難度。與此同時，NP由於粒徑小，在空氣中更易形成氣溶膠，並長期懸浮在空氣當中。此外，NP能輕易進入並損失人體呼吸道、皮膚、大腦、肺和免疫系統，甚至造成DNA損傷。因此，對於NP防護設備的研究具有重要意義。
圖1. 過濾設備製備示意圖
基於此，四川大學陶國宏、何玲團隊設計並製備了一種能高效去除常規PM汙染以及更小粒徑的NP汙染的自供能空氣過濾設備。通過對設備供給人體安全範圍內的低電壓，即可實現對顆粒汙染的高效吸附。
圖2. ILP材料對PM汙染物的吸附裝置及效率
該團隊結合了擁有良好電化學特性的功能材料——離子液體1-甲基-3-丁基咪唑鎓乙酸鹽([C4mim][OAc])以及具有良好可塑性的高分子，製備了可無規則分佈在多孔泡沫骨架上的導電高分子複合材料(ILP)。這種巧妙的設計既實現了材料與汙染物的充分接觸，又降低了過濾設備前後的壓降。最終通過添加3 V的安全電壓，實現了對PM2.5、PM10以及NP的高效去除，效率達99.59%、99.75%以及93.77%。
圖3. 自供能便攜式口罩及其過濾效果
為實現材料的實際應用，研究人員嘗試將搭載ILP材料的過濾設備安裝到口罩上，結合紐扣鋰電池或者是太陽能電池板，製備了一種新型自供能過濾面罩。在無需外部電源情況下，製備了便攜式的高效頭戴式空氣過濾設備。通過研究表明，該設備具有一個良好的長期穩定性，與商用口罩對比，具有更好的顆粒去除效果。
這一成果近期發表在Nature Communications上，文章第一作者是碩士研究生張國浩，通訊作者陶國宏教授、何玲副教授。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15502-7
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