Journal Pre-proof

Enhanced and copper concentration dependent virucidal effect against SARS-CoV-2

of electrospun poly(vinylidene difluoride) filter materials

Hanna Bulgarin, Thomas Thomberg, Andres Lust, Jaak Nerut, Miriam Koppel, Tavo

Romann, Rasmus Palm, Martin Månsson, Marko Vana, Heikki Junninen, Marian

Külaviir, Päärn Paiste, Kalle Kirsimäe, Marite Punapart, Liane Viru, Andres Merits,

Enn Lust

PII:

S2589-0042(24)01057-5

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.109835

Reference:

ISCI 109835

To appear in:

ISCIENCE

Received Date: 29 December 2023
Revised Date: 11 April 2024
Accepted Date: 25 April 2024

Please cite this article as: Bulgarin, H., Thomberg, T., Lust, A., Nerut, J., Koppel, M., Romann, T., Palm,

R., Månsson, M., Vana, M., Junninen, H., Külaviir, M., Paiste, P., Kirsimäe, K., Punapart, M., Viru, L.,

Merits, A., Lust, E., Enhanced and copper concentration dependent virucidal effect against SARS-CoV-2

of electrospun poly(vinylidene difluoride) filter materials, 

ISCIENCE

 (2024), doi: 

https://doi.org/10.1016/

j.isci.2024.109835

.

This is a PDF file of an article that has undergone enhancements after acceptance, such as the addition

of a cover page and metadata, and formatting for readability, but it is not yet the definitive version of

record. This version will undergo additional copyediting, typesetting and review before it is published

in its final form, but we are providing this version to give early visibility of the article. Please note that,

during the production process, errors may be discovered which could affect the content, and all legal

disclaimers that apply to the journal pertain.

© 2024 The Author(s). Published by Elsevier Inc.

Journal Pre-proof

Enhanced  and  copper  concentration  dependent  virucidal  effect  against  SARS-CoV-2  of 

electrospun poly(vinylidene difluoride) filter materials 

 

Hanna  Bulgarin

1

,  Thomas  Thomberg

1,2,



,  Andres  Lust

3

,  Jaak  Nerut

1

,  Miriam  Koppel

1

,  Tavo 

Romann

1

,  Rasmus  Palm

1,

4

,  Martin  Månsson

4

,  Marko  Vana

5

,  Heikki  Junninen

5

,  Marian 

Külaviir

6

, Päärn Paiste

6

, Kalle Kirsimäe

6

, Marite Punapart

7

, Liane Viru

7

, Andres Merits

7

, Enn 

Lust

1 

 

 

                                                            

1

 

Institute of Chemistry, University of Tartu, Ravila 14a, 50411 Tartu, Estonia

 

2

 

Lead contact. E-mail address: thomas.thomberg@ut.ee (T. Thomberg) 



 

Corresponding author. E-mail address: thomas.thomberg@ut.ee (T. Thomberg)

 

3

 

Institute of Pharmacy, University of Tartu, Nooruse 1, 50411 Tartu, Estonia 

4

 

Department of Applied Physics, KTH Royal Institute of Technology, SE-10691 Stockholm, 

Sweden

 

5

 

Institute of Physics, University of Tartu, W. Ostwald 1, 50411 Tartu, Estonia

 

6

 

Institute of Ecology and Earth Sciences, University of Tartu, Ravila 14a, 50411 Tartu, 

Estonia

 

7

 

Institute of Technology, University of Tartu, Nooruse 1, 50411 Tartu, Estonia

 

Journal Pre-proof

Summary 

Virucidal  filter  materials  were  prepared  by  electrospinning  a  solution  of  28  wt% 

poly(vinylidene  difluoride)  in  N,N-dimethylacetamide  without and  with  the  addition of 0.25 

wt%,  0.75  wt%,  2.0  wt%  or  3.5  wt%  Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O  as  virucidal  agent.  The  fabricated 

materials  had  a  uniform  and  defect  free  fibrous  structure  and  even  distribution  of  copper 

nanoclusters.  X-ray  diffraction  analysis  showed  that  during  the  electrospinning  process, 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O  changed  into  Cu

2

(NO

3

)(OH)

3

.  Electrospun  filter  materials  obtained  by 

electrospinning were essentially macroporous. Smaller pores of copper nanoclusters containing 

materials  resulted  in  higher  particle  filtration  than  those  without  copper  nanoclusters. 

Electrospun  filter  material  fabricated  with  the  addition  of  2.0  wt%  and  3.5  wt%  of 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O in a spinning solution showed significant virucidal activity, and there was 

2.5 ± 0.35 and 3.2 ± 0.30 logarithmic reduction in the concentration of infectious SARS-CoV-

2  within  12  h,  respectively.  The  electrospun  filter  materials  were  stable  as  they  retained 

virucidal activity for three months. 

 

Keywords:  electrospinning;  poly(vinylidene  difluoride),  copper  nanoclusters,  filtration 

efficiency, virucidal activity, virucidal properties, SARS-CoV-2 

 

 

Journal Pre-proof

Introduction 

The SARS-CoV-2 spreads between people through respiratory droplets with a diameter 

of  less  than  10 



m  and  by  direct  contact 

1–4

.  It  has  been  shown  that  wearing  masks  can 

significantly  reduce  the  spread  of  the  virus  as  it  limits  the  distribution  of  virus  containing 

particles in the room 

5–8

. Masks are usually multilayered; each layer has its function (virucidal 

layer, fluid barrier, particulate filtration layer, etc.) 

9–13

, and different technological solutions 

are used to prepare them 

12–15

. Since disposable face masks have a limited usage time, the spread 

of respiratory viruses causes a severe impact on the environment due to the accumulation of 

disposable  face  masks,  i.e.,  in  2020,  about  129  billion  face  masks  were  consumed  monthly 

worldwide 

16–20

. Therefore, the development of filter materials for indoor filtration systems with 

different  porosity  characteristics  (specific  surface  area,  various  pore  size  distribution,  pore 

volume, etc.), good filtration efficiency, and virucidal properties have great potential to limit 

the  spread  of  the  virus  in  rooms  and  the  impact  of  used  masks  on  the  environment 

21–27

. 

Electrospinning is a versatile method for the production of various filter materials as its process 

parameters  (potential  applied,  distance  between  electrodes,  solution  feed  rate,  etc.),  solution 

properties (polymer and solvent used, polymer solution concentration and viscosity, etc.), and 

environment conditions (room temperature and relative humidity) allow to produce materials 

with  different  filtering and  pore size  distribution characteristics 

27–35

.  It has  been  shown that 

variation of different electrospinning process  parameters enables the production of materials 

with various pore sizes (from 0.5 to 500 



m), specific surface areas (up to 50 m

2

 g

-1

), micro-, 

meso-  and  macropore  volumes,  total  pore  volumes,  and  porosities  (up  to  50%) 

31–38

.  Recent 

research has shown that nanofiber materials activated with metal (Zn, Ti, Ag, Cu) nanoclusters 

and compounds have bactericidal 

39,40

 and virucidal properties; inactivation of various viruses, 

including  poliovirus,  HIV-1,  coronavirus  SARS-CoV-2,  and  influenza  A  virus  has  been 

demonstrated 

10,25,27,41–53

. Several authors have discussed virucidal properties of different metal 

Journal Pre-proof

nanoclusters and ions. The role of silver nanoparticles as the anti-SARS-CoV-2 material has 

been recently discussed by Arjun et al 

54

 and the similar properties of copper-based materials 

has been discussed by Govind et al 

55

. Different theories about the mechanisms of said effects 

have been proposed. For example, it has been theorized that silver nanoparticles interact with 

biological structures of virions and thus alter their normal functioning while the silver ions are 

expected to form complexes with electron donor groups of virion molecules 

56

. Copper is known 

to damage virion DNA or RNA. It also interferes with the biological functions of the virion 

envelope and proteins forming the capsid. Copper is also known to induce the production of 

reactive oxygen species that can cause the inactivation of virions 

46

. Besides virucidal effect the 

amount  of  the  metal  or  metal  compounds  in  the  material  and  its  influence  on  the  virucidal 

properties  and  material  stability  are  significant  as  well  influencing  the  adoption  of  these 

materials for commercial application. 

The aim of this study was to prepare fibrous virucidal filter materials by electrospinning 

method from the solution of poly(vinylidene difluoride) (PVDF) with the addition of 0.25 wt%, 

0.75 wt%, 2.0 wt%, or 3.5 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O. The effect of the preparation parameters on 

the resulting materials physical characteristics was studied using scanning electron microscopy 

with  energy  dispersive  X-ray  spectroscopy  (SEM-EDS),  X-ray  diffraction  (XRD), 

thermogravimetric  analysis  (TGA),  microwave  plasma  atomic  emission  spectroscopy  (MP-

AES),  nitrogen  sorption  analysis,  mercury  intrusion  porosimetry,  and  contact  angle 

measurement  methods.  In  order  to  study  the  materials  filtering  properties,  the  filtering 

efficiencies were tested against particles of 100, 300, and 3000 nm, and the breathability was 

established based  on pressure drop experiments. Virucidal properties were tested against the 

SARS-CoV-2  alpha  variant,  determining  the  loss  of  infectivity  of  the  virus  in  contact  with 

prepared materials; the infectivity of treated samples and controls was analysed in cell culture 

using tissue culture infectious dose 50 (TCID

50

) assay. 

 

Journal Pre-proof

Experimental results 

Physical characterization of electrospun filter materials  

SEM  analysis  was  used  to  characterize  the  fibrous  structure  of  the  electrospun  filter 

materials.  All  materials  containing  copper  nanoclusters  exhibited  a  uniform  and  defect-free 

fibrous structure. The material electrospun from the polymer solution without the addition of 

copper nanoclusters had a fibrous structure with notable defects (beads) (Figs. 1a-e). The fiber 

size  distribution  of  the  material  without  the  addition  of  copper  nanoclusters  was  also  wider 

(Figs.  1f-j).  Increasing  the  copper  salt  concentration  in  the  spinning  solution  did  not 

significantly affect the fibrous structure of the materials. However, the average fiber diameter 

increased with Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O concentration in the spinning solution (Figs. 1g-j, Table 1).  

The elemental analysis of the electrospun filter materials was performed with SEM-EDS 

and MP-AES. The peaks in the SEM-EDS spectra (Fig. 2a) originate from the used polymer 

PVDF (C - carbon and F - fluorine) and the copper salt (Cu) as well as from aluminum foil (Al) 

that was used for collecting deposited electrospun filter material. All mentioned elements are 

evenly distributed in filter materials as exemplified by SEM-EDS maps measured from filter 

materials electrospun using a solution of 28 wt% PVDF + DMA with the addition of 2.0 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O (Figs. 2b-d). The copper content in the filter materials was determined with 

SEM-EDS and MP-AES methods (Table 2). The detected copper concentration was very close 

to the theoretically calculated Cu content. The theoretical Cu content was calculated assuming 

the complete evaporation of solvent during the electrospinning process and that only salt and 

polymer remain in the final material. 

The  crystal  structure  of the  electrospun  filter  materials  was  investigated  by  the  XRD 

method  (Fig.  3).  It  revealed  that  in  the  case  of  materials  prepared  without  the  addition  of 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O in the spinning solution, PVDF was mainly in the gamma form (

γ

-PVDF, 

Journal Pre-proof

monoclinic  structure).  In  contrast,  materials  containing  copper  nanoclusters  formed  the  beta 

form  of  PVDF  (β-PVDF,  orthorhombic  structure).  The  analysis  also  revealed  that  in  the 

materials  with  copper  nanoclusters  addition,  the  copper  was  not  present  in  the  form  of 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O, but as "basic copper nitrate" Cu

2

(NO

3

)(OH)

3

, i.e., rouaite.  

The  thermal  stability  of  electrospun  filter  materials  was  investigated  by  the 

thermogravimetric analysis method. In the inert gas (nitrogen) and synthetic air (20 vol% O

2

 

and 80 vol% N

2

) atmosphere, the main decomposition of all filter materials took place at ~460 

°C (Fig. 4). In the case of materials containing the copper nanoclusters, two small peaks at ~190 

°C and ~240 °C appear in both gas atmospheres. The residual mass for the material prepared 

using 28 wt% PVDF + DMA + 3.5 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O spinning solution was ~4.2 wt%. 

The residual mass was substantially higher ~22 wt% for the material prepared without copper 

salt addition (Fig. 4b). 

The contact angle values of high purity water on the filter materials were measured to 

analyze the hydrophilic or hydrophobic properties of the electrospun filter materials (Fig. 5). 

Three repetitive measurements were conducted, but there was no big deviation (±1%) of contact 

angle values measured for the same electrospun filter materials under study.  All electrospun 

filter  materials  were  hydrophobic  as  all  contact  angles  were  greater  than  90°.  The  largest 

wetting angle (146°) was established for the filter material prepared without the copper salt in 

the spinning solution. The addition of copper salt and the rise of its concentration from 0.25 

wt%, 0.75 wt%, 2.0 wt%, to 3.5 wt% in the spinning solution resulted in a decrease of wetting 

angle from 144°, 138°, 137° to 135°, respectively.  

Nitrogen sorption analysis and mercury porosimetry measurements were performed to 

study the prepared materials' porosity (Fig. 6 and Table 3). The shape of the nitrogen sorption 

isotherms  (Fig.  6a)  of  the  electrospun  materials  can  be  approximated  to  isotherm  type  II 

Journal Pre-proof

according  to  the  IUPAC  classification,  which  describes  mainly  macroporous  materials  with 

little  or  no  microporosity 

57

.  All  copper  nanoclusters  containing  materials  have  very  similar 

porosities, while slightly higher porosity was observed only for the material without the addition 

of copper salts in  the  spinning solution  (Fig.  6a and  Table 3).  The mercury  intrusion  curves 

(Fig. 6b) show several regions with different slopes, describing the gradual filling of pores of 

various sizes. At low Hg pressures, i.e., the larger pores 

D

 > 10 000 nm were filled first, which 

does not characterize the actual porosity of the material but the voids between the sheets created 

during the packing of the samples. The mercury intrusion curves (Fig. 6b) of electrospun filter 

materials containing copper nanoclusters show a second slope in the 200 ≤ 

D

 ≤ 5 000 nm pore 

size region. In contrast, the material without nanoclusters has a second slope in the pore size 

region of 1 000 ≤ 

D

 ≤ 10 000, which implies that later material contains larger pores, and this 

is illustrated by the  pore size distribution  pots (Fig. 6c). Electrospun filter material prepared 

without the addition of copper salt in the spinning solution shows a third slope and a peak in 

pore size distribution plot in the pore size region of 10 ≤ 

D

 ≤ 100 nm (Figs. 6b,c) indicating the 

presence of even smaller pores in this material. 

 

Particle filtration efficiency and pressure drop values for electrospun filter materials 

The analysis of the filtration efficiency of electrospun filter materials prepared with the 

copper  salt  addition  in  the  spinning  solution  showed,  regardless  of  their  thickness,  a  high 

filtration efficiency 

E

 



 95% of particles with different sizes (100, 300, and 3000 nm) (Table 

4).  Conversely,  the  filter  material  without  copper  nanoclusters  addition  demonstrated  high 

filtration efficiency (

E

 



 99%) only for the large particles with a size of 3000 nm. In contrast, 

the  filtration  efficiency 

E

  for  particles  with  a  size  of  100  and  300  nm  was  significantly 

dependent  on  the  material  thickness.  For  example,  the  filtration  efficiency  for  130 



m  thick 

Journal Pre-proof

material for 300 nm particles was 

E

 



 99%, while for 55 



m thick material, it was 

E

 



 78%. 

For 100 nm particles, the filtration efficiency 

E

 was even lower and decreased from 

E

 



 95% 

to 

E

 



 65% when the material thickness decreased from 130 



m to 55 



m.  

 

Virucidal activity 

The virucidal activity of prepared filter materials was tested against SARS-CoV-2. The 

virucidal activity of the materials fabricated using a spinning solution of 28 wt% PVDF + DMA 

without the addition of copper salt and with 0.25 wt% or 0.75 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O were very 

similar (Fig. 7). After a contact time of 12 h the reduction of infectious virus particles 



log

c

 

was  0.5 ± 0.05 demonstrating  low  virucidal  activity  of all three materials. In  sharp contrast, 

electrospun filter material fabricated with 2.0 wt% or 3.5 wt% copper salt in a spinning solution 

showed very high virucidal activity. The reduction in viral titer 



log

c

 was 2.5 ± 0.35 and 3.2 ± 

0.30 within 12 h, respectively. In the case of the latter material, the decrease in the concentration 

of infectious virus was also the fastest. For example, within 2 h of contact time, 



log

c

 was 1.7 

± 0.35.  

Additionally, the electrospun filter material prepared using 28 wt% PVDF + DMA + 2.0 

wt%  Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O  spinning  solution  demonstrated  high  stability  of  virucidal  properties 

over time. The reduction in virus concentration 



log

c

 during a contact time of 8 h was 2.80 ± 

0.30 when freshly prepared filter material was tested. The same filter material showed a slight 

decrease in virus concentration 



log

c

 2.50 ± 0.45, 2.70 ± 0.30, and 2.40 ± 0.25 after 1, 2, and 

3 months of storage, respectively, demonstrating that the virucidal activity of the material did 

not change significantly, and remained very high even after 3 months. 

 

 

Journal Pre-proof

Discussion 

Here,  we  report  the  production  of  filter  materials  with  a  virucidal  effect.  The 

electrospinning  method  developed  by  our  research  group  enables  to  reproducibly  produce 

materials  with  suitable  fiber  structure  and  diameter,  as  evidenced  by  SEM.  The  smoother 

appearance of the fibers containing copper nanoparticles is caused by the better conductivity of 

the spinning solution due to the inclusion of Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O. The increase in the mean fiber 

diameter is probably related to the rise in the electrospun solution viscosity, as the added copper 

salt  contained  crystal  water,  which  may  cause  partial  gelation  of  the  PVDF  solution 

58

. 

However, the change in the applied voltage did not have a notable effect on the average fiber 

diameters, as discussed earlier

45

. 

The produced materials had uniform copper particle distribution, as evidenced by SEM-

EDS. Thus, it supports the conclusion that the electrospinning method is suitable for enriching 

filter materials with copper and other metal nanoclusters 

27,45

. The overall copper content in the 

filter materials was determined with SEM-EDS and MP-AES methods. While the theoretical 

values matched with the detected values quite well, the copper content measured with SEM-

EDS was higher than expected in the case of sample electrospun using a solution of 28 wt% 

PVDF + DMA with the addition of 3.5 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O. The semi-quantitative nature 

of the given method applied can explain this discrepancy. 

The solid state form of prepared filter materials was studied with XRD. The obtained 

results are in good agreement with the literature, where it has been established that PVDF exists 

in  the  beta  form  if  it  is  processed  together  with  metal  nanoparticles 

27,45,59,60

.  The 

Cu

2

(NO

3

)(OH)

3

  that  was  detected  in  filter  materials  is  a  dehydration  product  of 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O  that  is  known  to  form  at  ~  80  °C 

61–63

.  The  increase  in  intensity  of  its 

characteristic XRD peaks at 2

θ

 ~ 12.9° and 2

θ

 ~ 25.8° was correlated with the rise of copper 

Journal Pre-proof

salt concentration in the spinning solution. The peaks corresponding to rouaite are absent in the 

XRD spectra of the material prepared by drying a portion of the solution in a fume hood and 

did not undergo the electrospinning process. 

27

. This suggests that rouaite was formed during 

the electrospinning process, probably due to the strong electric field applied. 

All electrospun filter materials proved to be thermally stable over a wide temperature 

range,  thus  being  suitable  for  various  filtration  applications.  The  main  decomposition  of  all 

materials  tested  corresponds  to  the  decomposition  of  PVDF 

63–65

.  In  the  case  of  materials 

containing copper nanoclusters, the two small peaks seen on thermograms measured for copper 

nanocluster  containing  materials  at  ~190  °C  and  ~240  °C  are  due  to  the  decomposition  of 

rouaite into CuO 

27,61,63

. The residual mass difference between pure PVDF filter material and 

PVDF containing rouaite, as detected by TGA, is caused by the nanoparticles catalysizing the 

decomposition of PVDF. 

27,63

. In the case of material prepared from a 28 wt% PVDF + DMA 

+ 3.5 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O spinning solution, the residual mass is in good agreement with 

the theoretical residual mass ~3.95 wt% assuming that the Cu salt is converted to CuO. 

The hydrophobic  or  hydrophilic properties  of the  prepared  materials  are  essential for 

capturing  virus  particles  because  viruses  are  often  spread  using  airborne  droplets  with  a 

diameter of 5–10 



m 

6

. The hydrophobicity of the materials decreased with the increase of Cu 

salt concentration as nanoclusters in fibers.  

Since the porosity of the electrospun filter materials is crucial for filtration efficiency, 

i.e., the capability to capture particles, nitrogen sorption analysis 

57,66

 and mercury porosimetry 

measurements 

67–69

 were performed. All electrospun filter materials proved to be predominantly 

macroporous, and the porosity originates from the inter-fiber voids (Figs. 1a-e). The porosity 

results given in Table 3 show that the specific surface area 

S

Hg

, pore volume 

V

Hg

, and overall 

porosity of the electrospun filter materials are very similar and practically independent of the 

Journal Pre-proof

copper nanocluster content and only material without copper salt nanoclusters addition shows 

somewhat higher specific surface area 

S

Hg

 

27–29,45,70,71

. 

Measured filtration efficiencies are comparable with previously obtained results 

27,38,45

. 

Furthermore,  the  results  are  consistent  with  the  electrospun  materials  fibrous  and  porous 

structure that SEM, nitrogen sorption, and mercury porosimetry revealed. The methods showed 

that the fibers are more closely spaced in the case of the materials prepared with copper salt 

addition in a spinning solution (Figs. 1b-e) and have smaller pores in the 200 ≤ D ≤ 5 000 nm 

size  range.  Smaller  pores  ensure  better  filtration  efficiency  of  materials  with  copper 

nanoclusters addition (Table 4) compared to the material without copper nanoclusters addition, 

which have prominent pores in the size range of 1000 ≤ 

D

 ≤ 10 000 nm (Fig. 6c). Additionally, 

it  can  be  noted  that  the  pressure  drop  and  hence  the  breathability  depends  significantly  and 

approximately linearly on the thickness of the materials (Table 4). 

The virucidal activity of tested materials did not change over time, thus confirming their 

suitability  for  use  as  filter  materials.  Virucidal  activity  testing  revealed  that  the  effect  is 

concentration dependent. While the reduction of infectious virions 



log

c

 was detectable after 

12 h contact time with the filter materials prepared with the addition of 0.25 wt% or 0.75 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O, it was comparable to the virucidal activity of the materials fabricated using 

a spinning solution of 28 wt% PVDF + DMA without the addition of copper salt.  The filter 

material  prepared  with  the  highest  copper  concentration  proved  also  to  have  the  highest 

virucidal activity. At the same time, the filter material with the second highest copper content 

showed a marked effect compared to the material without copper. It is possible that only the 

copper  nanoclusters  on  the  surface  of  the  fibers  affect  virions.  Obviously,  the  amount  of 

nanoclusters on the fiber surface depends on the spinning solution's overall salt content. Thus, 

the virucidic effect appears only in a significant manner when there is enough copper containing 

particles  present  on  the  surface.  The  virucidal  activity  of  copper  compounds  against  SARS-

Journal Pre-proof

CoV-2 has also been observed in other recently published papers, where the effect of different 

metal nanoparticles on the SARS-CoV-2 virus has been investigated 

27,44,72

. 

 

Conclusions 

Electrospinning  enabled  the  manufacture  of  filter  materials  based  on  poly(vinylidene 

difluoride)  (PVDF)  with  different  copper  nanoparticle  concentrations.  The  electrospun  filter 

materials'  fiber  morphology,  elemental  composition,  crystal  structure,  thermal  stability, 

porosity, wettability, filtration- and virucidal properties were suitable for air filtration purposes. 

Electrospun filter materials fabricated with the addition of Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O in the spinning 

solution  had  fewer  defects,  and  their  fibers  were  more  uniformly  distributed  than  those 

produced without copper nanocluster content. An increase of Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O concentration 

in the spinning solution resulted in an increase in average fiber diameter that could be caused 

by  gelation  of  the  polymer  solution  due  to  crystal  water  in  copper  salt.  Electrospun  filter 

materials contained mainly carbon, fluor, and copper, evenly distributed across the materials. 

The  PVDF  was  in  the  gamma  form  in  filter  materials  fabricated  from  solution  without  the 

addition of the copper salt. In contrast, the beta form of PVDF was observed in filter materials 

with  copper  nanoclusters  content.  The  copper  was  in  the  form  of  Cu

2

(NO

3

)(OH)

3

  in  the 

materials  manufactured  with  electrospinning.  This  is  a  dehydration  product  of 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O,  and  it  probably  forms  during  the  electrospinning  process  due  to  the  high 

electric field strength applied. The electrospun filter materials were generally thermally stable. 

All the electrospun filter materials were very hydrophobic as the wetting angles varied from 

135°  to  146°.  The  materials  became  less  hydrophobic  with  increased  Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

concentration in the spinning solution. Most of the pores in filter materials fabricated without 

the addition of the copper salt were larger (1000 ≤ 

D

 ≤ 10 000 nm) than most of the pores in 

Journal Pre-proof

materials with the copper salt addition (200 ≤ D ≤ 5 000 nm). However, the total porosity was 

nearly similar for all fabricated materials. 

All  electrospun  filter  materials  with  an  addition  of  Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O  in  the  spinning 

solution showed high filtration efficiency of particles in different sizes (100, 300, and 3000 nm) 

regardless of the thickness of the material or added copper salt content. Materials without the 

copper  nanoclusters`  content  had  generally  lower  filtration  efficiency.  Electrospun  filter 

materials  fabricated  with  high  Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O  content,  i.e.,  2.0  wt%  and  3.5  wt%  in  a 

spinning solution exhibited significant virucidal properties. During a contact time of 12 h the 

reduction of infectious virus particles 



log

c

 was 2.5 ± 0.35 and 3.2 ± 0.30, respectively. The 

fastest reduction in infectious virion concentration occurred when the material fabricated from 

a spinning solution containing 3.5 wt% of Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O was used. In contrast, electrospun 

filter materials with low Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O content (≤ 0.75 wt%) in the spinning solution did 

not show remarkable virucidal activity. The electrospun filter material prepared using 28 wt% 

PVDF  +  DMA  +  2.0  wt%  Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O  spinning  solution  demonstrated  high  virucidal 

stability even 3 months after the material was prepared. 

 

Limitations of the study 

While  we  have  shown  excellent  performance  of  our  materials  in  laboratory  settings, 

testing the efficiency of produced materials in practical environments would be vital. It is also 

necessary  to  study  given  materials'  effectiveness  in  operando.  Furthermore,  it  is  required  to 

challenge provided materials with various conditions to test their stability in different operating 

environments. 

 

 

Journal Pre-proof

STAR

★

Methods 

Key resources table 

REAGENT or RESOURCE 

SOURCE 

IDENTIFIER 

Virus strains  

SARS-CoV-2 NG

 

Rihn et al

73

 

N/A 

Chemicals 

1% v/v Penicillin/Streptomycin stock solution

 

Gibco

 

#15070-063

 

Polyvinylidene difluoride

 

Sigma-Aldrich

 

427144; CAS: 

24937-79-9 

N,N-dimethylacetamide

 

Sigma-Aldrich

 

271012; CAS: 127-

19-5 

Copper(II) nitrate hemi(pentahydrate)

 

Sigma-Aldrich

 

467855; CAS: 

19004-19-4 

Cell lines 

VeroE6 (African green monkey epithelial kidney) cells 

ATCC 

RRID: 

CVCL_0574 

 

Resource availability 

Lead contact 

Further information and requests for resources and reagents should be directed to and will be 

fulfilled by the lead contact Thomas Thomberg (thomas.thomberg@ut.ee). 

Materials availability 

This study did not generate new unique reagents. 

Data and code availability 

•

 

All data reported in this paper will be shared by the lead contact upon request. 

•

 

This paper does not report original code. 

•

 

Any  additional  information  required  to  reanalyze  the  data  reported  in  this  paper  is 

available from the lead contact upon request. 

 

Journal Pre-proof

Method details 

Spinning solution preparation 

The  polymer  solution  used  in  the  experiments  was  prepared  a  day  before  the 

electrospinning. In order to dissolve the polymer faster, a magnetic stirrer with a heating plate 

(IKA  C-MAG  HS7)  kept  at  55  °C  was  used.  Polyvinylidene  difluoride  (PVDF,  average 

molecular  weight  ⁓  275  000  g  mol

-1

,  Sigma-Aldrich)  was  used  as  a  polymer,  N,N-

dimethylacetamide (DMA, anhydrous, purity 99.8%, Sigma-Aldrich) as a solvent, and copper 

salt  (Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O,  purity  ≥  99.99%,  Sigma-Aldrich)  was  added  to  the  solution  as  a 

virucidal  component.  The  concentration  of  the  polymer  in  the  solution  was  28  weight 

percentage (wt%), and the wt% of the salt varied from 0.25 wt%, 0.75 wt%, 2.0 wt% to 3.5 

wt%, respectively 

27–30,45,74,75

. 

 

Electrospun filter materials preparation 

The  electrospinning  method  was  used  to  produce  virucidal  filter  materials.  The 

apparatus of the electrospinning method consisted of a high voltage source, a syringe pump, a 

syringe (10 ml), a syringe needle (with an inner diameter of 0.4 mm), a system for moving the 

needle horizontally, a cylindrical rotating collector (diameter 9 cm), and a climate control unit 

controlling  the  temperature  and  humidity  (EC-DIG,  IME  Technologies,  Netherlands).  In  all 

experiments, the temperature was set at 23 ± 1 °C, humidity 60 ± 3%, solution feed rate 1 ml h

-

1

, needle movement speed 5 cm s

-1

 with a delay of 0.5 s at the ends, collector rotation speed 500 

rpm  and  the  distance  of  the  needle  from  the  collector  was  9  cm.  The  voltage  applied  to  the 

solution was gradually increased by 2 kV increments from 11 to 21 kV in order to find suitable 

electrospinning  conditions  for  the  production  of  metal  nanocluster  containing  nanofibrous 

materials (Table 1). For electrospinning the metal nanocluster free filter material, the voltage 

Journal Pre-proof

was kept at 9 kV because at higher voltages it was impossible to get a mat with nanofibrous 

structure 

45

. The collector was covered with aluminum foil to collect the filter materials, and 

different volumes of solution were used for their preparation 

27–30,45,74,75

.  

 

Physical characterization of electrospun filter materials 

The  filter  materials'  structure,  morphology,  elemental  composition,  and  element 

distribution were studied with a scanning electron microscope (SEM) Zeiss EVO MA15 system 

with an Oxford X-MAX 80 energy dispersive detector (EDS). Before SEM and EDS analyses, 

the surface of the filter materials was covered with either a few nanometers of thick platinum 

or carbon layers, respectively. The content of copper in the filter materials was analyzed by the 

MP-AES method using the Agilent 4210 system 

76

. For analysis, the sample was weighed into 

a 25 cm

3

 PFA (perfluoroalkoxy alkane) sealed container, adding 10 cm

3

 of 69% HNO

3

 (Carl 

Roth  Rotipuran  Supra),  and  heated  for  24  h  at  105  °C.  After  dissolution,  the  samples  were 

diluted with 2 wt% HNO

3

 solution to the expected Cu content of 4 mg dm

-3

. Quantification was 

performed at a wavelength of Cu 327.395 nm in three replicates, and the signal was collected 

for 10 s  in each  replicate.  A calibration chart was  used  in the  range of 0.1-10 mg dm

-3

, and 

calibration  solutions  with  a  concentration  of  1  g  dm

-3

  were  prepared  from  an  Agilent  multi-

element calibration standard 2A solution. The fiber diameters were determined based on SEM 

images using the free software ImageJ, and the fiber size distribution was compiled using the 

diameters of 40 fibers from each filter material 

77

. 

Nitrogen  sorption  analysis  was  used  to  characterize  the  porous  structure  of  filter 

materials, which was performed at the boiling temperature of liquid nitrogen (-195.8 °C) with 

the ASAP 2020 system (Micromeritics, USA). Based on the Brunauer-Emmett-Teller (BET) 

theory, the specific surface areas (

S

BET

) of the filter materials were calculated in the range of 

Journal Pre-proof

relative pressures (

p

/

p

0

) between 0.05−0.1. The filter materials’ total pore volume (

V

sum

) was 

calculated according to the amount of nitrogen adsorbed on the sample at a relative pressure of 

p

/

p

0

 = 0.95 

57,66

. 

The  mercury  intrusion  porosimetry  method  was  also  used  to  characterize  the  porous 

structure  of  the  filter  materials.  The  measurements  were  performed  with  an  AutoPore  IV 

instrument (Micromeritics, USA), and triple distilled mercury with a purity of 99.9995% was 

used 

67–69

. The volume of the sample holder was 3 cm

3,

 and the stem volume was 0.412 cm

3

. 

The samples were degassed under vacuum at 100 °C for at least one hour before measurements. 

Mercury porosimetry curves were measured within the pressure range from 0.01 to 410 Mpa 

by recording the amount of mercury intruded into the sample at each measured pressure. The 

blank sample data was subtracted from the measurement results, taking into account the effect 

of temperature and the sample holder from the analysis results, and the average results were 

found from repeated measurements of the filter materials. 

Thermogravimetric analysis (TGA) was used to analyze the thermal stability of the filter 

materials  by  using  a  NETZSCH  STA  449  F3  instrument  and  an  Al

2

O

3

  sample  holder.  The 

parameters of the TGA experiment were as follows: temperature range 25 °C – 1000 °C, heating 

rate 10 °C min

-1

, and gas flow rate 50 cm

3

 min

-1

. The stability of the materials was determined 

both in an inert gas (nitrogen, 99.999%, Linde Gas) and synthetic air containing 20% oxygen 

by volume (99.999%, Linde Gas) 

45

. 

X-ray  diffraction  analysis  (XRD)  was  used  to  analyze  the  crystalline  structure  of  the 

filter  materials,  and  measurements  were  performed  on  a  Bruker  D8  instrument  (Bruker 

Corporation) at a temperature of 25 ± 1 °C. A CuKα radiation source was used with a LynxEye 

position sensitive detector, where the angular step was 0.01° and the counting time for each 

angle was 2 s 

78–80

. 

Journal Pre-proof

The  hydrophobicity  of  the  filter  materials  was  established  by  pipetting  a  droplet  of 

ultrapure water (Milli-Q+, resistivity 18.2 MΩ cm) onto the surface of the filter material and 

by measuring the contact angle between the filter material surface and a water droplet 

70

. 

 

Electrospun filter materials particle filtration efficiency and breathability 

In order to analyze the filter materials’ filtration efficiency, experiments were carried 

out on a self-designed system. A detailed description of the particle filtration efficiency (PFE) 

tests and apparatus scheme can be found elsewhere 

27,45

. Briefly, the aerosol for calibration was 

generated with an atomizer from the dispersion of polystyrene latex spheres with a diameter of 

3 



m  (Thermo  Scientific,  Lot  No.  212695(net)  3 

 

m)  in  distilled  water.  Aerosol  flow  was 

measured before and after sample measurements, and silica gel was used to dry it. Two different 

instruments were used to measure the entire aerosol particle size range: for the size range of 

5−500 nm, FMPS (Fast mobility Particle Spectrometer, TSI Incorporated) was used, and for 

300  nm  –  10 

 

m  size  range  OPS  (Optical  particle  counter,  TSI  incorporated)  system  was 

employed. A gas flow rate meter (4140, TSI) was used to measure the air flow rate, and it was 

controlled by a two-way Bürkert 2/2 solenoid valve (no. 00234303, Christian Bürkert GmbH). 

The air flow rate in the conducted experiments was 1.8 dm

3

 min

-1

 per 4.9 cm

2

 filtration area, 

and the concentration of aerosol particles (particles per liter) was determined before 

B

b

 and after 

the measurement 

B

a

 of each sample, from which the average concentration value was found. 

Filter  materials  were  measured  in  three  parallel  experiments,  and  the  average  filtration 

efficiency  was  calculated.  The  filtration  efficiency  (

E

,  unit  %)  was  calculated  based  on  the 

following equation: 

𝐸 = 100%

(

𝐵

𝑏

+ 𝐵

𝑎

2

) − 𝑇

(

𝐵

𝑏

+ 𝐵

𝑎

2

)

 

Journal Pre-proof

where 

T

 is the concentration of aerosol particles passing through the filter. 

The  breathability  of  the  filter  material  was  evaluated  using  the  pressure  drop  value, 

which  was  measured  according  to  the  EN  14683:2019+AC:2019  standard.  Unlike  the 

14683:2019+AC:2019  standard,  measurements were  not  performed  at  a  relative  humidity  of 

85%. The sample (filter material) was placed between the metal filter holder, and the pressure 

difference  caused  by  the  material  was  measured.  The  breathability  tests  were  conducted  in 

triplicate. Three different areas were chosen to be tested from all the electrospun samples. 

 

Virus strain and virucidal activity determination 

In order to study the virucidal properties of the filter materials, a recombinant SARS-

CoV-2 (Wuhan-Hu-1 strain), in which the gene encoding the spike protein was replaced by that 

of the alpha variant, was used. To facilitate the visualization of infected cells, a mNeonGreen 

marker was attached to the C terminus of the ORF7a protein of the virus, hereafter designated 

as SARS-CoV-2 NG

73

. The virus was propagated in VeroE6 (African green monkey epithelial 

kidney) cells grown in Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM, Corning, #10-013-CV) 

supplemented  with  0.2%  w/v  BSA  (bovine  serum  albumin,  Sigma-Aldrich)  and  1%  v/v 

Penicillin/Streptomycin  stock  solution  (Gibco,  #15070-063),  hereafter  virus  growth  medium 

(VGM).  The  virus  titer  was  determined  on  the  same  cells  using  the  TCID

50

  (median  tissue 

culture infectious dose 50) test and was calculated using the Spearman-Karber algorithm. 

Determination  of  the  virucidal  properties  of  the  electrospun  filter  materials  was 

performed according to the ISO 21702:2019 standard with modifications. Virucidal properties 

were  determined  for  PVDF  filter  materials  with  0.25  wt%,  0.75  wt%,  2.0  wt%,  or  3.5  wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O added  to  the  spinning solution. A reference  material without salt addition 

(unmodified PVDF filter material) was used as a control sample. Before the experiments, all 

Journal Pre-proof

samples  were  treated  with  UV-C  radiation  to  clean  them  from  possible  contamination.  The 

stock solution of SARS-CoV-2 NG (concentration ~7 



 10

7

 TCID

50

 units ml

-1

) was diluted 10 

times in phosphate buffered saline (PBS). The 30 mm x 30 mm electrospun filter material and 

reference material pieces were inoculated with 200 



l of the virus suspension and covered with 

a piece of PVC (poly(vinyl chloride), dimensions 20 mm x 20 mm) to ensure even distribution 

of the suspension. The samples were incubated for 0, 1, 2, 4, 8, or 12 hours at 25 ± 2 °C, and 

after  that,  the  samples  were  washed  with  10  ml  of  VGM  solution.  The  concentration  of 

infectious virus in each wash-out was determined using the TCID

50

 assay. All samples' average 

titer values were calculated based on at least three independent experiments. The decrease in 

virus concentration 



log

c

 was calculated according to the following equation: 



log

c

 = log(

c

0h

) 

-  log(

c

x

h

),  where 

c

0h

  and 

c

x

h

  are  virus  concentrations  at  the  contact  time  of  0  h  and 

x

  h, 

respectively, and 

x

 in our experiments was either 1, 2, 4, 8, or 12 hours. 

The stability of the electrospun filter materials was evaluated based on the maintenance 

of their virucidal activity. For these experiments, the electrospun filter material prepared using 

28 wt% PVDF + DMA + 2.0 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O spinning solution; a contact time of 8 h 

was  selected  for  virucidal  assay  due  to  the  substantial  virucidal  effect  observed  in  previous 

assays.  The  virucidal  activity  of  the  selected  material  under  these  conditions  was  evaluated 

immediately after the preparation of the material and then 1, 2, and 3 months after the first tests. 

All materials tested were pre-cut into size (30 mm x 30 mm), followed by double-sided UV-C 

treatment to reduce contamination, and stored at room temperature in a dry, dark place until 

further testing. 

 

 

Journal Pre-proof

Acknowledgments 

This  research  was  supported  by  the  EU  through  the  European  Regional  Development  Fund 

under  project  TK141,  "Advanced  materials  and  high-technology  devices  for  energy 

recuperation systems" (2014–2020.4.01.15–0011) and TK210, “Estonian Centre of Excellence 

in  Green  Hydrogen  and  Sustainable  Energetics”,  and  by  the  Estonian  Research  Council 

(projects  no.  IUT  20-13,  IUT20-27,  MOBTT42,  PRG676,  PRG714,  and  COVSG36).  KTH 

acknowledges funding from the Ragnar Holm Foundation, the Swedish Research Council (VR, 

Dnr. 2021-06157 and Dnr. 2022-03936), the Swedish Foundation for Strategic Research (SSF, 

SwedNess), and the Carl Tryggers Foundation for Scientific Research (CTS-22:2374). Finally, 

we are thankful to the Department of Chemical Engineering, KTH, Sweden, for granting access 

to  the  Hg porosimetry instrument  and  for giving  technical assistance  and  support during the 

measurements. 

 

Authors contributions 

Conceptualization, TT, AL and EL; Methodology, HB, TT, AL and EL; Validation, HB, TT, 

JN, MiKo, RP, MV, PP and MP; Formal analysis, HB, TT, MV, PP and MP; Investigation, HB, 

TT, JN, MiKo, TR, RP, MV, PP and MP; Resources, TT, JN, MiKo, TR, MM, HJ, MaKü, PP, 

KK, MP, LV, AM and EL; Writing – Original Draft, HB, TT, AL, JN, RP, HJ, PP, MP and LV; 

Writing  –  Review  &  Editing,  HB,  TT,  AL,  RP,  MM,  HJ,  KK,  MP,  LV,  AM  and  EL; 

Visualization, HB, TT, JN, MiKo, TR, RP, MaKü and MP; Supervision, TT, MM, HJ, KK, LV, 

AM and EL; Project administration, TT, MM, HJ, KK, AM and EL; Funding acquisition, MM, 

HJ, KK, AM and EL 

 

Journal Pre-proof

Declaration of interests 

The authors declare no conflict of interest. 

 

 

Journal Pre-proof

Figure captions 

Fig. 1. (a-e) SEM images and (f-j) fiber diameter distribution plots of electrospun filter materials 
fabricated using a solution of (a,f) 28 wt% PVDF + DMA at voltage 9 kV and with the addition 
of 

x

 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O at voltage 17 kV (b,g) 0.25 wt%, (c,h) 0.75 wt%, (d,i) 2.0 wt% or 

(e,j) 3.5 wt%. 

Fig. 2. (a) SEM-EDS spectra and (b-d) SEM-EDS elemental mapping of (b) copper (Cu, light 
blue), (c) carbon (C, violet) and (d) fluorine (F, pink) of electrospun filter materials fabricated 
using a solution of 28 wt% PVDF + DMA with the addition of 2.0 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O at 

voltage 17 kV. 

Fig.  3.  XRD  patterns  for  electrospun  filter  materials  fabricated  using  a  solution  of  28  wt% 
PVDF + DMA at voltage 9 kV and with the addition of 

x

 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O (noted in the 

figure) at voltage 17 kV. Rouaite, 



-PVDF (beta PVDF), and 



-PVDF (gamma PVDF) crystal 

structure reflections are given as vertical lines for comparison (noted in the figure). 

Fig. 4. Thermogravimetric analysis (weight loss – solid line, differential weight loss – dotted 
lines) in (a) nitrogen and (b) synthetic air (mixture of 20 vol% oxygen and 80 vol% nitrogen) 
for different electrospun filter materials fabricated using a solution of 28 wt% PVDF + DMA 
at voltage 9 kV and with the addition of 

x

 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O (noted in the figure) at voltage 

17 kV. 

Fig.  5.  Microscopic  images  demonstrating  the  wetting  angle  for  different  electrospun  filter 
materials fabricated using a solution of (a) 28 wt% PVDF + DMA at voltage 9 kV and with the 
addition of 

x

 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O at voltage 17 kV (b) 0.25 wt%, (c) 0.75 wt%, (d) 2.0 wt% 

or (e) 3.5 wt%. 

Fig.  6.  (a)  Nitrogen  sorption  isotherms,  (b)  mercury  intrusion  curves,  and  (c)  pore  size 
distribution  plots  obtained  from  mercury  porosimetry  data  of  electrospun  filter  materials 
fabricated using a solution of 28 wt% PVDF + DMA at voltage 9 kV and with the addition of 

x

 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O (noted in the figure) at voltage 17 kV. 

Fig. 7. Virucidal activity against SARS-CoV-2 of electrospun filter materials fabricated using 
a  solution  of  28  wt%  PVDF  +  DMA  at  voltage  9  kV  and  with  the  addition  of 

x

  wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O (noted in the figure) at voltage 17 kV. Data are represented as mean with 

standard deviation. 

 

 

Journal Pre-proof

References 

1.  Lee, E.C., Wada, N.I., Grabowski, M.K., Gurley, E.S., and Lessler, J. (2020). The engines of SARS-

CoV-2 spread. Science 

370

, 406

–

407. 10.1126/science.abd8755. 

2.  Pivato, A., Amoruso, I., Formenton, G., Di Maria, F., Bonato, T., Vanin, S., Marion, A., and 

Baldovin, T. (2021). Evaluating the presence of SARS-CoV-2 RNA in the particulate matters during 
the peak of COVID-19 in Padua, northern Italy. Sci Total Environ 

784

, 147129. 

10.1016/j.scitotenv.2021.147129. 

3.  Babaahmadi, V., Amid, H., Naeimirad, M., and Ramakrishna, S. (2021). Biodegradable and 

multifunctional surgical face masks: A brief review on demands during COVID-19 pandemic, 
recent developments, and future perspectives. Sci Total Environ 

798

, 149233. 

10.1016/j.scitotenv.2021.149233. 

4.  Wang, C.C., Prather, K.A., Sznitman, J., Jimenez, J.L., Lakdawala, S.S., Tufekci, Z., and Marr, L.C. 

(2021). Airborne transmission of respiratory viruses. Science 

373

, eabd9149. 

10.1126/science.abd9149. 

5.  Cook, T.M. (2020). Personal protective equipment during the coronavirus disease (COVID) 2019 

pandemic 

–

 a narrative review. Anaesthesia 

75

, 920

–

927. 10.1111/anae.15071. 

6.  Prather, K.A., Wang, C.C., and Schooley, R.T. (2020). Reducing transmission of SARS-CoV-2. 

Science 

368

, 1422

–

1424. 10.1126/science.abc6197. 

7.  Cui, J., Li, F., and Shi, Z.-L. (2019). Origin and evolution of pathogenic coronaviruses. Nat Rev 

Microbiol 

17

, 181

–

192. 10.1038/s41579-018-0118-9. 

8.  Cheng, V.C.-C., Wong, S.-C., Chuang, V.W.-M., So, S.Y.-C., Chen, J.H.-K., Sridhar, S., To, K.K.-W., 

Chan, J.F.-W., Hung, I.F.-N., Ho, P.-L., et al. (2020). The role of community-wide wearing of face 
mask for control of coronavirus disease 2019 (COVID-19) epidemic due to SARS-CoV-2. J Infect 

81

, 107

–

114. 10.1016/j.jinf.2020.04.024. 

9.  Rahman, M.Z., Hoque, M.E., Alam, M.R., Rouf, M.A., Khan, S.I., Xu, H., and Ramakrishna, S. 

(2022). Face Masks to Combat Coronavirus (COVID-19)

—

Processing, Roles, Requirements, 

Efficacy, Risk and Sustainability. Polymers (Basel) 

14

, 1296. 10.3390/polym14071296. 

10.  Deng, W., Sun, Y., Yao, X., Subramanian, K., Ling, C., Wang, H., Chopra, S.S., Xu, B.B., Wang, J.-X., 

Chen, J.-F., et al. (2022). Masks for COVID-19. Advanced Science 

9

, 2102189. 

10.1002/advs.202102189. 

11.  Ganesapillai, M., Mondal, B., Sarkar, I., Sinha, A., Ray, S.S., Kwon, Y.-N., Nakamura, K., and 

Govardhan, K. (2022). The face behind the Covid-19 mask 

—

 A comprehensive review. 

Environmental Technology & Innovation 

28

, 102837. 10.1016/j.eti.2022.102837. 

12.  Chua, M.H., Cheng, W., Goh, S.S., Kong, J., Li, B., Lim, J.Y.C., Mao, L., Wang, S., Xue, K., Yang, L., et 

al. (2020). Face Masks in the New COVID-19 Normal: Materials, Testing, and Perspectives. 
Research 

2020

. 10.34133/2020/7286735. 

13.  Wibisono, Y., Fadila, C.R., Saiful, S., and Bilad, M.R. (2020). Facile Approaches of Polymeric Face 

Masks Reuse and Reinforcements for Micro-Aerosol Droplets and Viruses Filtration: A Review. 
Polymers 

12

, 2516. 10.3390/polym12112516. 

Journal Pre-proof

14.  Teo, J.Y., Kng, J., Periaswamy, B., Liu, S., Lim, P., Lee, C.E., Tan, B.H., Loh, X.J., Ni, X., Tiang, D., et 

al. (2021). Exploring Reusability of Disposable Face Masks: Effects of Disinfection Methods on 
Filtration Efficiency, Breathability, and Fluid Resistance. Glob Chall 

5

, 2100030. 

10.1002/gch2.202100030. 

15.  Rubio-Romero, J.C., Pardo-Ferreira, M. del C., Torrecilla-García, J.A., and Calero-Castro, S. (2020). 

Disposable masks: Disinfection and sterilization for reuse, and non-certified manufacturing, in 
the face of shortages during the COVID-19 pandemic. Saf Sci 

129

, 104830. 

10.1016/j.ssci.2020.104830. 

16.  Hui Li, A.S., Sathishkumar, P., Selahuddeen, M.L., Asyraf Wan Mahmood, W.M., Zainal Abidin, 

M.H., Wahab, R.A., Mohamed Huri, M.A., and Abdullah, F. (2022). Adverse environmental effects 
of disposable face masks due to the excess usage. Environ Pollut 

308

, 119674. 

10.1016/j.envpol.2022.119674. 

17.  Du, H., Huang, S., and Wang, J. (2022). Environmental risks of polymer materials from disposable 

face masks linked to the COVID-19 pandemic. Science of The Total Environment 

815

, 152980. 

10.1016/j.scitotenv.2022.152980. 

18. 

Atılgan Türkmen, B. (2022). Life cycle environmental impacts of disposable medical masks. 

Environ Sci Pollut Res 

29

, 25496

–

25506. 10.1007/s11356-021-17430-5. 

19.  Liu, R., and Mabury, S.A. (2021). Single-Use Face Masks as a Potential Source of Synthetic 

Antioxidants to the Environment. Environ. Sci. Technol. Lett. 

8

, 651

–

655. 

10.1021/acs.estlett.1c00422. 

20.  Prata, J.C., Silva, A.L.P., Walker, T.R., Duarte, A.C., and Rocha-Santos, T. (2020). COVID-19 

Pandemic Repercussions on the Use and Management of Plastics. Environ. Sci. Technol. 

54

, 

7760

–

7765. 10.1021/acs.est.0c02178. 

21.  Chang, S.-Y., Huang, K.-Y., Chao, T.-L., Kao, H.-C., Pang, Y.-H., Lu, L., Chiu, C.-L., Huang, H.-C., 

Cheng, T.-J.R., Fang, J.-M., et al. (2021). Nanoparticle composite TPNT1 is effective against SARS-
CoV-2 and influenza viruses. Sci Rep 

11

, 8692. 10.1038/s41598-021-87254-3. 

22.  Gopal, V., Nilsson-Payant, B.E., French, H., Siegers, J.Y., Yung, W., Hardwick, M., and Te Velthuis, 

A.J.W. (2021). Zinc-embedded polyamide fabrics inactivate SARS-CoV-2 and influenza A virus. 
ACS Appl Mater Interfaces 

13

, 30317

–

30325. 10.1021/acsami.1c04412. 

23.  Joe, Y.H., Woo, K., and Hwang, J. (2014). Fabrication of an anti-viral air filter with SiO2

–

Ag 

nanoparticles and performance evaluation in a continuous airflow condition. J Hazard Mater 

280

, 

356

–

363. 10.1016/j.jhazmat.2014.08.013. 

24.  Kim, S., Chung, J., Lee, S.H., Yoon, J.H., Kweon, D.-H., and Chung, W.-J. (2021). Tannic acid-

functionalized HEPA filter materials for influenza virus capture. Sci Rep 

11

, 979. 10.1038/s41598-

020-78929-4. 

25.  Mallakpour, S., Azadi, E., and Hussain, C.M. (2022). Fabrication of air filters with advanced 

filtration performance for removal of viral aerosols and control the spread of COVID-19. Adv 
Colloid Interface Sci 

303

, 102653. 10.1016/j.cis.2022.102653. 

26.  Lee, J., Bae, J., Youn, D.-Y., Ahn, J., Hwang, W.-T., Bae, H., Bae, P.K., and Kim, I.-D. (2022). 

Violacein-embedded nanofiber filters with antiviral and antibacterial activities. Chemical 
Engineering Journal 

444

, 136460. 10.1016/j.cej.2022.136460. 

Journal Pre-proof

27.  Thomberg, T., Bulgarin, H., Lust, A., Nerut, J., Koppel, M., Romann, T., Palm, R., Månsson, M., 

Flores March, N.M., Junninen, H., et al. (2023). The anti SARS-CoV-2 activity of nanofibrous filter 
materials activated with metal clusters. Atmospheric Environment: X 

17

, 100212. 

10.1016/j.aeaoa.2023.100212. 

28.  Tõnurist, K., Jänes, A., Thomberg, T., Kurig, H., and Lust, E. (2009). Influence of mesoporous 

separator properties on the parameters of electrical double-layer capacitor single cells. J 
Electrochem Soc 

156

, A334

–

A342. 

29.  Tõnurist, K., Thomberg, T., Jänes, A., and Lust, E. (2013). Specific performance of supercapacitors 

at lower temperatures based on different separator materials. J Electrochem Soc 

160

, A449

–

A457. 10.1149/2.044303jes. 

30.  Tõnurist, K., Vaas, I., Thomberg, T., Jänes, A., Kurig, H., Romann, T., and Lust, E. (2014). 

Application of multistep electrospinning method for preparation of electrical double-layer 
capacitor half-cells. Electrochim Acta 

119

, 72

–

77. 10.1016/j.electacta.2013.11.155. 

31.  Mamun, A., Blachowicz, T., and Sabantina, L. (2021). Electrospun nanofiber mats for filtering 

applications

—

technology, structure and materials. Polymers 

13

, 1368. 10.3390/polym13091368. 

32.  Sundarrajan, S., Tan, K.L., Lim, S.H., and Ramakrishna, S. (2014). Electrospun Nanofibers for Air 

Filtration Applications. Procedia Engineering 

75

, 159

–

163. 10.1016/j.proeng.2013.11.034. 

33.  Lu, T., Cui, J., Qu, Q., Wang, Y., Zhang, J., Xiong, R., Ma, W., and Huang, C. (2021). Multistructured 

Electrospun Nanofibers for Air Filtration: A Review. ACS Appl. Mater. Interfaces 

13

, 23293

–

23313. 10.1021/acsami.1c06520. 

34.  Senthil, R., Sumathi, V., Tamilselvi, A., Kavukcu, S.B., and Aruni, A.W. (2022). Functionalized 

electrospun nanofibers for high efficiency removal of particulate matter. Sci Rep 

12

, 8411. 

10.1038/s41598-022-12505-w. 

35.  Borojeni, I.A., Gajewski, G., and Riahi, R.A. (2022). Application of Electrospun Nonwoven Fibers in 

Air Filters. Fibers 

10

, 15. 10.3390/fib10020015. 

36.  Xu, X., Yang, Q., Wang, Y., Yu, H., Chen, X., and Jing, X. (2006). Biodegradable electrospun poly(l-

lactide) fibers containing antibacterial silver nanoparticles. Eur Polym J 

42

, 2081

–

2087. 

10.1016/j.eurpolymj.2006.03.032. 

37.  Neisiany, R.E., Enayati, M.S., Kazemi-Beydokhti, A., Das, O., and Ramakrishna, S. (2020). 

Multilayered bio-based electrospun membranes: A potential porous media for filtration 
applications. Front Mater 

7

, 67. 10.3389/fmats.2020.00067. 

38.  Karabulut, F.N.H., Höfler, G., Ashok Chand, N., and Beckermann, G.W. (2021). Electrospun 

nanofibre filtration media to protect against biological or nonbiological airborne particles. 
Polymers 

13

, 3257. 10.3390/polym13193257. 

39.  Bondarenko, O., Juganson, K., Ivask, A., Kasemets, K., Mortimer, M., and Kahru, A. (2013). 

Toxicity of Ag, CuO and ZnO nanoparticles to selected environmentally relevant test organisms 
and mammalian cells in vitro: a critical review. Arch Toxicol 

87

, 1181

–

1200. 10.1007/s00204-013-

1079-4. 

40.  Ivask, A., Juganson, K., Bondarenko, O., Mortimer, M., Aruoja, V., Kasemets, K., Blinova, I., 

Heinlaan, M., Slaveykova, V., and Kahru, A. (2014). Mechanisms of toxic action of Ag, ZnO and 

Journal Pre-proof

CuO nanoparticles to selected ecotoxicological test organisms and mammalian cells in vitro: A 
comparative review. Nanotoxicology 

8

, 57

–

71. 10.3109/17435390.2013.855831. 

41.  Sundberg, A., Champagne, V., McNally, B., Helfritch, D., and Sisson, R. (2015). Effectiveness of 

nanomaterial copper cold spray surfaces on inactivation of influenza A virus. J Biotechnol 
Biomater 

05

. 10.4172/2155-952X.1000205. 

42.  Qamar, H., Rehman, S., Chauhan, D.K., Tiwari, A.K., and Upmanyu, V. (2020). Green synthesis, 

characterization and antimicrobial activity of copper oxide nanomaterial derived from 
momordica charantia. Int J Nanomedicine 

15

, 2541

–

2553. 10.2147/IJN.S240232. 

43.  Tavakoli, A., and Hashemzadeh, M.S. (2020). Inhibition of herpes simplex virus type 1 by copper 

oxide nanoparticles. J Virol Methods 

275

, 113688. 10.1016/j.jviromet.2019.113688. 

44.  Kubo, A.-

L., Rausalu, K., Savest, N., Žusinaite, E., Vasiliev, G., Viirsalu, M., Plamus, T., Krumme, A., 

Merits, A., and Bondarenko, O. (2022). Antibacterial and Antiviral Effects of Ag, Cu and Zn 
Metals, Respective Nanoparticles and Filter Materials Thereof against Coronavirus SARS-CoV-2 
and Influenza A Virus. Pharmaceutics 

14

, 2549. 10.3390/pharmaceutics14122549. 

45.  Thomberg, T., Ramah, P., Lust, A., Nerut, J., Koppel, M., Romann, T., Palm, R., Månsson, M., 

March, N.M.F., Junninen, H., et al. (2022). Preparation of nanofibrous materials activated with 
metal clusters for active and long-lasting air filters. Separation and Purification Technology 

288

, 

120697. 10.1016/j.seppur.2022.120697. 

46.  Bahrami, A., Arabestani, M.R., Taheri, M., Farmany, A., Norozzadeh, F., Hosseini, S.M., Nozari, H., 

and Nouri, F. (2022). Exploring the Role of Heavy Metals and Their Derivatives on the 
Pathophysiology of COVID-19. Biol Trace Elem Res 

200

, 2639

–

2650. 10.1007/s12011-021-02893-

x. 

47.  Jeremiah, S.S., Miyakawa, K., Morita, T., Yamaoka, Y., and Ryo, A. (2020). Potent antiviral effect 

of silver nanoparticles on SARS-CoV-2. Biochemical and Biophysical Research Communications 

533

, 195

–

200. 10.1016/j.bbrc.2020.09.018. 

48.  Xiang, D., Chen, Q., Pang, L., and Zheng, C. (2011). Inhibitory effects of silver nanoparticles on 

H1N1 influenza A virus in vitro. Journal of Virological Methods 

178

, 137

–

142. 

10.1016/j.jviromet.2011.09.003. 

49.  Fujimori, Y., Sato, T., Hayata, T., Nagao, T., Nakayama, M., Nakayama, T., Sugamata, R., and 

Suzuki, K. (2012). Novel Antiviral Characteristics of Nanosized Copper(I) Iodide Particles Showing 
Inactivation Activity against 2009 Pandemic H1N1 Influenza Virus. Applied and Environmental 
Microbiology 

78

, 951

–

955. 10.1128/AEM.06284-11. 

50.  Maduray, K., and Parboosing, R. (2021). Metal Nanoparticles: a Promising Treatment for Viral 

and Arboviral Infections. Biol Trace Elem Res 

199

, 3159

–

3176. 10.1007/s12011-020-02414-2. 

51.  Toledo, G.G.D., Toledo, V.H., Lanfredi, A.J.C., Escote, M., Champi, A., Silva, M.C.C.D., and Nantes-

Cardoso, I.L. (2020). Promising Nanostructured Materials against Enveloped Virus. An. Acad. 
Bras. Ciênc. 

92

. 10.1590/0001-3765202020200718. 

52.  Aallaei, M., Molaakbari, E., Mostafavi, P., Salarizadeh, N., Maleksah, R.E., and Afzali, D. (2022). 

Investigation of Cu metal nanoparticles with different morphologies to inhibit SARS-CoV-2 main 
protease and spike glycoprotein using Molecular Docking and Dynamics Simulation. Journal of 
Molecular Structure 

1253

, 132301. 10.1016/j.molstruc.2021.132301. 

Journal Pre-proof

53.  Rani, I., Goyal, A., Bhatnagar, M., Manhas, S., Goel, P., Pal, A., and Prasad, R. (2021). Potential 

molecular mechanisms of zinc- and copper-mediated antiviral activity on COVID-19. Nutrition 
Research 

92

, 109

–

128. 10.1016/j.nutres.2021.05.008. 

54.  Arjun, P.N.J., Sankar, B., Shankar, K.V., Kulkarni, N.V., Sivasankaran, S., and Shankar, B. (2022). 

Silver and Silver Nanoparticles for the Potential Treatment of COVID-19: A Review. Coatings 

12

, 

1679. 10.3390/coatings12111679. 

55.  Govind, V., Bharadwaj, S., Sai Ganesh, M.R., Vishnu, J., Shankar, K.V., Shankar, B., and Rajesh, R. 

(2021). Antiviral properties of copper and its alloys to inactivate covid-19 virus: a review. 
Biometals 

34

, 1217

–

1235. 10.1007/s10534-021-00339-4. 

56.  Galdiero, S., Falanga, A., Vitiello, M., Cantisani, M., Marra, V., and Galdiero, M. (2011). Silver 

Nanoparticles as Potential Antiviral Agents. Molecules 

16

, 8894

–

8918. 

10.3390/molecules16108894. 

57.  Thommes, M., Kaneko, K., Neimark, A.V., Olivier, J.P., Rodriguez-Reinoso, F., Rouquerol, J., and 

Sing, K.S.W. (2015). Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface 
area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 

87

, 1051

–

1069. 

10.1515/pac-2014-1117. 

58.  Marshall, J.E., Zhenova, A., Roberts, S., Petchey, T., Zhu, P., Dancer, C.E.J., McElroy, C.R., 

Kendrick, E., and Goodship, V. (2021). On the solubility and stability of polyvinylidene fluoride. 
Polymers 

13

, 1354. 10.3390/polym13091354. 

59.  Wang, W., Zhang, S., Srisombat, L.O., Lee, T.R., and Advincula, R.C. (2011). Gold-nanoparticle- 

and gold-nanoshell-induced polymorphism in poly(vinylidene fluoride). Macromol Mater Eng 

296

, 178

–

184. 10.1002/mame.201000271. 

60.  Mand

al, D., Kim, K.J., and Lee, J.S. (2012). Simple synthesis of palladium nanoparticles, β

-phase 

formation, and the control of chain and dipole orientations in palladium-doped poly(vinylidene 
fluoride) thin films. Langmuir 

28

, 10310

–

10317. 10.1021/la300983x. 

61.  Cseri, T., Békássy, S., Kenessey, G., Liptay, G., and Figueras, F. (1996). Characterization of metal 

nitrates and clay supported metal nitrates by thermal analysis. Thermochimica Acta 

288

, 137

–

154. 10.1016/S0040-6031(96)03037-7. 

62.  Richardson, H.W. (2

000). Copper Compounds. In Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry 

(John Wiley & Sons, Ltd). 10.1002/14356007.a07_567. 

63.  Sumathirathne, L., and Euler, W.B. (2021). Catalysis of the Thermal Decomposition of Transition 

Metal Nitrate Hydrates by Poly(vinylidene difluoride). Polymers (Basel) 

13

, 3112. 

10.3390/polym13183112. 

64.  Jaleh, B., Gavary, N., Fakhri, P., Muensit, N., and Taheri, S.M. (2015). Characteristics of PVDF 

membranes irradiated by electron beam. Membranes 

5

, 1

–

10. 10.3390/membranes5010001. 

65.  de Jesus Silva, A.J., Contreras, M.M., Nascimento, C.R., and da Costa, M.F. (2020). Kinetics of 

thermal degradation and lifetime study of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) subjected to 
bioethanol fuel accelerated aging. Heliyon 

6

, e04573. 10.1016/j.heliyon.2020.e04573. 

66.  Rouquerol, J., Rouquerol, F., and Sing, K.S.W. (1998). Adsorption by Powders and Porous Solids: 

Principles, Methodology and Applications 1 edition. (Academic Press). 

Journal Pre-proof

67.  Webb, P.A., Orr, C., Camp, R.W., Olivier, J.P., and Yunes, Y.S. (1997). Analytical Methods in Fine 

Particle Technology 1st edition. (Micromeritics Instrument). 

68.  Plötze, M., and Niemz, P. (2011). Porosity and pore size distribution of different wood types 

as determined by mercury intrusion porosimetry. Eur. J. Wood Prod. 

69

, 649

–

657. 

10.1007/s00107-010-0504-0. 

69.  Wang, S., Yang, P., Dai, D., Xue, K., and Li, D. (2020). A study on micro-pore characteristics of clay 

due to freeze-thaw and compression by mercury intrusion porosimetry. Front Earth Sci 

7

, 344. 

10.3389/feart.2019.00344. 

70.  Tõnurist, K. (2013). Influence of electrospun separator materials properties on electrochemical 

performance of electrical double-layer capacitors. 

71.  Tõnurist, K., Thomberg, T., Jänes, A., Kink, I., and Lust, E. (2012). Specific performance of 

electrical double layer capacitors based on different separator materials in room temperature 
ionic liquid. Electrochem Commun 

22

, 77

–

80. 10.1016/j.elecom.2012.05.029. 

72.  Delumeau, L.-V., Asgarimoghaddam, H., Alkie, T., Jones, A.J.B., Lum, S., Mistry, K., Aucoin, M.G., 

DeWitte-Orr, S., and Musselman, K.P. (2021). Effectiveness of antiviral metal and metal oxide 
thin-film coatings against human coronavirus 229E. APL Mater 

9

, 111114. 10.1063/5.0056138. 

73.  Rihn, S.J., Merits, A., Bakshi, S., Turnbull, M.L., Wickenhagen, A., Alexander, A.J.T., Baillie, C., 

Brennan, B., Brown, F., Brunker, K., et al. (2021). A plasmid DNA-launched SARS-CoV-2 reverse 
genetics system and coronavirus toolkit for COVID-19 research. PLOS Biology 

19

, e3001091. 

10.1371/journal.pbio.3001091. 

74.  Tõnurist, K., Thomberg, T., Jänes, A., Romann, T., Sammelselg, V., and Lust, E. (2013). Influence 

of separator properties on electrochemical performance of electrical double-layer capacitors. J 
Electroanal Chem 

689

, 8

–

20. 10.1016/j.jelechem.2012.11.024. 

75.  Tõnurist, K., Thomberg, T., Jänes, A., Romann, T., Sammelselg, V., and Lust, E. (2013). 

Polymorphic behavior and morphology of electrospun poly(vinylidene fluoride) separator 
materials for non-aqueous electrolyte based electric double layer capacitors. ECS Trans. 

50

, 49. 

10.1149/05045.0049ecst. 

76.  Balaram, V. (2020). Microwave plasma atomic emission spectrometry (MP-AES) and its 

applications 

–

 A critical review. Microchemical Journal 

159

, 105483. 

10.1016/j.microc.2020.105483. 

77.  Hotaling, N.A., Bharti, K., Kriel, H., and Simon, C.G. (2015). DiameterJ: A validated open source 

nanofiber diameter measurement tool. Biomaterials 

61

, 327

–

338. 

10.1016/j.biomaterials.2015.05.015. 

78.  Holder, C.F., and Schaak, R.E. (2019). Tutorial on powder X-ray diffraction for characterizing 

nanoscale materials. ACS Nano 

13

, 7359

–

7365. 10.1021/acsnano.9b05157. 

79. 

Cai, X., Lei, T., Sun, D., and Lin, L. (2017). A critical analysis of the α, β and γ phases in 

poly(vinylidene fluoride) using FTIR. RSC Adv 

7

, 15382

–

15389. 10.1039/C7RA01267E. 

80.  Wu, T., Zhou, B., Zhu, T., Shi, J., Xu, Z., Hu, C., and Wang, J. (2015). Facile and low-cost approach 

towards a PVDF ultrafiltration membrane with enhanced hydrophilicity and antifouling 

Journal Pre-proof

performance via graphene oxide/water-bath coagulation. RSC Adv. 

5

, 7880

–

7889. 

10.1039/C4RA13476A. 

 

Journal Pre-proof

Table 1. Electrospun filter materials preparation parameters and average fiber diameter 

d

av

 with a 

standard deviation. 

 

 

Solution 

Voltage (kV) 

d

av

 (nm) 

28 wt% PVDF + DMA 

9 

490 ± 350 

28 wt% PVDF + DMA + 0.25 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

17 

420 ± 80

 

28 wt% PVDF + DMA + 0.75 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

17 

470 ± 120

 

28 wt% PVDF + DMA + 2.0 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

17 

500 ± 100

 

28 wt% PVDF + DMA + 3.5 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O

 

17 

520 ± 90

 

Journal Pre-proof

Table  2.  The  concentration  of  copper  in  electrospun  filter  materials  established  by  scanning 
electron  microscopy  with  energy  dispersive  X-ray  spectroscopy  (SEM-EDS)  and  microwave 
plasma atomic emission spectroscopy (MP-AES) methods compared to theoretical values. 

Solution 

Theoretical 

(wt%) 

SEM-EDS 

(wt%) 

MP-AES

 

(wt%) 

28 wt% PVDF + DMA + 0.25 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

0.242 

0.22 

± 0.04

 

0.242 

± 0.001

 

28 wt% PVDF + DMA + 0.75 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

0.713 

0.61 

± 0.08

 

0.695 

± 0.002

 

28 wt% PVDF + DMA + 2.0 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

1.82 

1.67 

± 0.3

 

1.750 

± 0.006

 

28 wt% PVDF + DMA + 3.5 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

3.03 

4.05 

± 0.06

 

2.916 

± 0.02

 

 

Journal Pre-proof

Table 3. The specific surface area (

S

BET

) calculated by Brunauer-Emmett-Teller (BET) theory and 

total pore volume (

V

sum

) from nitrogen sorption and specific surface area 

S

Hg

, pore volume 

V

Hg

, 

and porosity from mercury intrusion measurements for electrospun filter materials fabricated using 
a solution of 28 wt% PVDF + DMA without and with the addition of 

x

 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O. 

Solution 

Nitrogen sorption 

Mercury intrusion 

S

BET

 

(m

2

 g

-1

) 

V

tot

 

(cm

3

 g

-1

) 

S

Hg

 

(m

2

 g

-1

) 

V

Hg

 

(cm

3

 g

-1

) 

Porosity 

(%) 

28 wt% PVDF + DMA 

9.6 

0.015 

23.5 

3.88 

28.2 

28 wt% PVDF + DMA + 0.25 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

3.6 

0.0057 

10.3 

4.34 

25.9 

28 wt% PVDF + DMA + 0.75 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

4.3 

0.0060 

7.5 

3.82 

28.6

 

28 wt% PVDF + DMA + 2.0 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

4.4 

0.0057 

8.1 

3.87 

27.1 

28 wt% PVDF + DMA + 3.5 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

2.5 

0.0034 

10.9 

3.02 

31.5 

 

Journal Pre-proof

Table  4.  Particle  filtration  efficiency  (

E

)  and  pressure  drop  of  electrospun  filter  materials  with 

various thicknesses fabricated using a solution of 28 wt% PVDF + DMA at voltage 9 kV and with 
the addition of 

x

 wt% Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O (noted in Table) at voltage 17 kV. 

Solution 

Filter 

thickness 

(



m) 

E

, 100 nm 

(%) 

E, 

300 nm 

(%) 

E

, 3000 nm 

(%) 

Pressure drop 

(Pa cm

-2

) 

28 wt% PVDF + DMA 

55±5 

65.3±1.2 

75.9±0.1 

99.5±0.1 

53±6 

85±5 

83.9±4.1 

92.4±1.8 

99.9±0.1 

51.3±5 

130±8 

95.5±1.1 

99.2±0.2 

99.9±0.0 

144.3±12 

28 wt% PVDF + DMA + 

0.75 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O

 

25±3 

100±0.0 

100±0.0 

100±0.0 

128±2 

100±10 

100±0.0 

100±0.0 

100±0.0 

456±10 

200±20 

100±0.0 

100±0.0 

100±0.0 

819±52 

28 wt% PVDF + DMA + 

2.0 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

35±4 

98.5±0.5 

99.7±0.2 

100±0.3 

106±2 

90±8 

100±0.0 

100±0.1 

100±0.0 

387±86 

145±10 

99.9±0.1 

99.9±0.1 

99.9±0.1 

693±74 

28 wt% PVDF + DMA + 

3.5 wt% 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O 

30±5 

95.4±3.8 

100±0.0 

100±0.0 

86±16 

110±15 

100±0.0 

100±0.0 

100±0.0 

143±12 

200±20 

100±0.0 

100±0.0 

100±0.0 

400±97 

 

 

Journal Pre-proof

Journal Pre-proof

Journal Pre-proof

Journal Pre-proof

Journal Pre-proof

Journal Pre-proof

Journal Pre-proof

Journal Pre-proof

•

 

Cu containing fibrous materials were prepared by electrospinning method 

•

 

Cu(NO

3

)

2

·2.5H

2

O transformed into Cu

2

(NO

3

)(OH)

3

 during electrospinning process 

•

 

Cu nanoclusters containing material showed very high filtration efficiency 

•

 

Cu containing material showed very high virudical activity against SARS-CoV-2 

Journal Pre-proof

 

 

Key resources table 

REAGENT or RESOURCE 

SOURCE 

IDENTIFIER 

Virus strains  

SARS-CoV-2 NG

 

Rihn et al

73

 

N/A 

Chemicals 

1% v/v Penicillin/Streptomycin stock solution

 

Gibco

 

#15070-063

 

Polyvinylidene difluoride

 

Sigma-Aldrich

 

427144; CAS: 
24937-79-9 

N,N-dimethylacetamide

 

Sigma-Aldrich

 

271012; CAS: 127-
19-5 

Copper(II) nitrate hemi(pentahydrate)

 

Sigma-Aldrich

 

467855; CAS: 
19004-19-4 

Cell lines 

VeroE6 (African green monkey epithelial kidney) cells 

ATCC 

RRID: 

CVCL_0574 

 

Journal Pre-proof