三維石墨烯口罩：從霧霾到細菌的阻擊戰

□文/周文俊

全球新冠病毒肺炎疫情爆發，口罩成為不少人出門首要裝備。口罩如何佩戴更衛生、舒適？北京中關村科學城北區的實創科技園區企業成功研發新型石墨烯口罩，可連續使用超過48小時，是傳統口罩的12倍以上，佩戴48小時后過濾效能僅降低4%。

始于阻擋PM2.5

2012年聯合國環境規劃署公布的《全球環境展望5》指出，每年有70萬人死于因臭氧導致的呼吸系統疾病，有近200萬的過早死亡病例與顆粒物污染有關。2013年10月17日，世界衛生組織下屬國際癌癥研究機構發布報告，首次指認大氣污染是致癌元兇。隨著PM2.5對環境造成不良影響、對人體造成損害逐漸被重視，公眾的防護意識日益增強。

隨著公眾對呼吸健康意識的增強，口罩市場變得日漸活躍。口罩能阻擋有害物質進入佩戴者呼吸道。在呼吸道傳染病流行期間，或在粉塵環境中作業時，戴口罩非常重要。

傳統口罩依據材質不同，有棉布口罩、無紡布口罩、高分子材料口罩、活性炭粉濾芯口罩、活性炭纖維氈墊口罩等等。但并非所有口罩都能有效過濾PM2.5，且大部分口罩長時間佩戴后容易感到呼吸不暢、胸口憋悶。

市場上的防霾口罩要么通過縮小孔徑來阻隔PM2.5，要么通過靜電來吸附PM2.5。前者會因孔徑小導致呼吸不暢，后者會因靜電快速消失導致吸附效果急劇變差。隨著天氣轉暖，透氣、舒適、環保的新材料口罩又成熱點。

石墨烯材料的青睞

石墨烯材料加入口罩原材料家族，直面以上兩個問題而來。對人體有害的PM2.5，其當量直徑小于等于2.5微米。而近幾年一直倍受業界追捧的石墨烯材料，孔徑只有PM2.5的八百五十分之一。石墨烯材料具有超大比表面積，3克石墨烯攤開能鋪滿一個足球場，選用石墨烯作為隔離層的口罩如同硬幣一樣薄。

但石墨烯口罩真正的黑科技，在于其使用了最新尖端材料——三維石墨烯。南京大學王昭群研究組通過“粒子構建法”，在石墨烯表面附著貴金屬納米粒子制得三元復合粒子，再將其在電極表面進行規整堆積，形成電子和介質的雙通道網絡結構，在纖維表面組裝該復合粒子的陣列結構，從而制成高靈敏度的濕度傳感器。

這種三維石墨烯材料的密度低達1mg/cm3，比表面積高達1000m2/g，還可以被極限擠壓，最小擠壓成其原始大小的5%，擠壓后能夠恢復初始形態。試驗證明，即使經過1000次擠壓依然保持完好無損，表明石墨烯微塵脫落問題也不再是個問題。

三維石墨烯在化學、食品加工和生物學等領域具有廣闊的應用前景。它就像一個三維多孔的網狀迷宮，將大小不一的顆粒污染物牢牢吸附。

超強顆粒捕獲能力

中國科學院上海硅酸鹽研究所科研團隊成功研制出超強功能型三維石墨烯抗菌防霧霾口罩。這是我國科學家首次將三維石墨烯材料應用于防霧霾口罩中，經權威檢測部門檢測，其PM2.5過濾效率高達99.6%。

三維石墨烯材料具有極佳的有機體分子、霧霾顆粒捕獲能力，其捕獲率較活性碳同比提高3～5倍，高彈性多級納米結構保證了氣流通過的順暢性。

三維石墨烯口罩的使用性能十分優越。首先，超大比表面積能大量吸附空氣中的粉塵、顆粒;其次，其表面的含氧官能團能夠快速捕獲空氣中的帶電顆粒，并導出電子使其聚沉；第三，其優越的導電特性、量子點負載可以有效分解空氣中有毒和有味的有害分子；第四，它能像一把鋒利的刀片直接切割破壞細胞膜，抽取細胞膜上的磷脂分子，讓細胞死亡，在負載銀后抗菌性能會進一步增強；第五，能多孔自組裝使得三維石墨烯薄膜具有高透氣性。

通俗來說，三維石墨烯口罩能讓氣體順利“繞道”進入呼吸道。由于比表面積大，石墨烯材料吸收霧霾顆粒時效長達160小時。

買一個石墨烯口罩

得益于石墨烯超薄的特性，三維石墨烯口罩纖薄而透氣。采用低密度、高比剛度、強能量吸收等優點的三維石墨烯作為防霧霾阻擋層，解決了口罩防霾不佳和氣流不暢之間難以協調的矛盾。

普通的N95口罩的呼吸阻力壓為120Pa左右，而三維石墨烯口罩的呼吸阻力壓只有80Pa左右，兼克長效吸附和呼吸順暢這兩個痛點。

新冠病毒肺炎疫情爆發后，石墨烯口罩市場蠢蠢欲動。早在今年2月份，東南大學電子科學與工程學院及其合作單位常州碳星科技公司，就生產了40萬只石墨烯基口罩以最快速度直接發往武漢。這款口罩通過將石墨烯復合物溶液噴涂于過濾網上，有效去除(干、濕)空氣中的粉塵及PM2.5。

今年3月份，專注于航空發動機材料研發的中國航發航材院，僅花25天時間就完成了從石墨烯熔噴布材料的設計研究到批量生產，目前可日產20萬只口罩交付使用。