一种3D打印的预过滤器，采用结晶紫-金纳米簇复合材料，用于可重复使用的可见光激活抗菌空气过滤系统

《Inorganic Chemistry Frontiers》：A 3D-printed pre-filter with a crystal violet–gold nanocluster hybrid for a reusable visible-light-activated antimicrobial air filtration system

　　本研究开发了一种基于可见光激活的金纳米簇-晶体紫（Au@CV）涂层的前置过滤与常规主过滤协同的抗菌系统。前置过滤器通过可见光激发产生ROS，直接灭活沉积微生物并借助气流将ROS传递至主过滤器，有效抑制 captured微生物。系统在气流方向和速度变化下仍保持高效（≥98%），且经稳定性测试后性能稳定，可通过重新涂覆恢复功能，为可重复使用的生物防污空气过滤技术提供了新方案。

　　
空气传播微生物对公共健康构成持续威胁，传统过滤技术存在微生物二次释放风险。针对这一挑战，研究团队创新性地开发了基于可见光触发的可重复使用抗菌过滤系统。该系统通过结构设计将抗菌功能与物理过滤分离，形成双效协同机制，在保证高效过滤的同时显著提升抗菌性能。

系统核心由两部分构成：上游采用3D打印技术制备的晶体紫-金纳米簇（Au@CV）预过滤层，下游为常规高效空气过滤器。预过滤层通过可见光激发产生活性氧（ROS），其作用机制包含直接接触杀菌和气流辅助杀菌两个层面。实验数据显示，该复合过滤系统能实现4.7个数量级的微生物灭活效果，且在无气流情况下仍保持98%的杀菌效率。

材料制备方面，研究团队采用热塑性聚氨酯（TPU）为基材，通过溶胀-封装-收缩工艺实现功能材料的高效负载。金纳米簇的合成采用一氧化碳定向还原法，确保纳米颗粒的尺寸控制在亚纳米级别（<2 nm）。表面表征显示，Au@CV复合涂层在机械摩擦（150次剥离测试）和湿度（24小时水浸）条件下均保持稳定，CV染料泄漏量低于0.6 ppm。

抗菌机制研究揭示了多途径协同作用：首先，晶体紫在可见光激发下通过电子转移形成激发态，产生羟基自由基（·OH）、过氧化氢（H?O?）和单线态氧（1O?）等多种活性氧物种。金纳米簇作为催化剂显著提升了电荷转移效率，实验测得复合涂层的荧光寿命缩短至26.7皮秒，证实电荷快速转移特性。其次，气流作为载体将活性氧传输至主过滤层，形成立体杀菌场域。压力测试显示系统在2.3-11.7 cm/s风速范围内压力降增幅小于15%，确保正常空气流通需求。

性能优化方面，研究团队创新性地采用分离式功能设计。预过滤层仅承担杀菌功能而不参与粉尘捕获，其开放多孔结构（纤维直径0.42 mm，孔间距0.88 mm）在保证高渗透率（>90%）的同时有效减少粉尘沉积。主过滤器则专注于物理截留，经测试对576 nm左右的典型金黄色葡萄球菌颗粒过滤效率达82%。当两者协同工作时，系统整体过滤效率提升至99.2%，且具有气流方向自适应特性——正向气流时杀菌效率达99.3%，反向气流仍保持65%的基础杀菌能力。

稳定性测试表明，该系统在连续运行200小时后仍保持初始杀菌效率的92%以上。通过简单的重新染色处理（CV溶液浸泡24小时），预过滤层可恢复90%的初始杀菌性能，展现出优异的可重复使用特性。经济性评估显示，每平方米Au@CV涂层的制备成本仅为现有光催化材料的1/3，结合主过滤器的常规维护需求，系统整体运营成本可降低40%。

该研究突破传统抗菌过滤技术依赖单一功能的局限，开创了"物理拦截+光催化杀菌+气流传输"的三位一体解决方案。特别值得关注的是，通过调控预过滤层的光吸收特性（UV-Vis吸收峰在400-800 nm范围），系统可适配不同光源环境。测试数据显示，在5.8-11.9 mW/cm2光照强度下，杀菌效率呈指数关系提升，当达到标准室内光照强度（0.04 mW/cm2）时，系统仍能保持68%的杀菌效率，这为实际应用提供了重要参数支持。

未来发展方向包括：（1）开发智能响应型涂层，实现光照强度自适应调节；（2）拓展至医疗场景，测试对耐药菌（如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA）的杀灭效果；（3）优化气流动力学设计，进一步提升大空间场景下的应用效能。该成果为构建长效、低能耗、可维护的空气洁净系统提供了创新性技术路径，在呼吸道疾病高发场所（医院ICU、学校教室、公共交通工具）具有重要应用价值。