基于摩擦纳米发电机的自驱动静电吸附面罩

古语云“病从口入”，医学上的解读为吃了不洁食物或是缘于不良饮食习惯，导致身体发病。千百年来，“口”一直被视作疾病防护的重点。随着工业化进程加速，化石燃料不断消耗，环境污染加剧，不可避免的给人们带来负面影响，用于监测和防护人体各功能区的可穿戴式防护设备就显得尤为重要。

目前，可穿戴式防护设备的过滤机制主要是物理过滤、物理吸附等，如包括扩散、重力沉积、物理拦截、惯性碰撞或活性炭吸附等。其过滤机制单一，寿命短，对大颗粒的过滤效果较好，但对小颗粒的过滤效果却极为有限，尤其是空气中悬浮的超细粒子（粒径< 1μm），具有更远的传播距离，更大的比表面积，更易携带病毒，吸入后容易在呼吸道、肺泡等沉积，甚至进入血液，对人体危害较大。因此，这类防护设备尚不能满足人类自身的健康需求。

针对上述问题，中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员（点击查看介绍）和王中林院士（点击查看介绍）指导的团队，基于聚偏氟乙烯（PVDF）静电纺丝与摩擦纳米发电机（TENG），研制了自驱动静电吸附面罩。该面罩可收集人体呼吸过程中产生的机械能并通过摩擦纳米发电机转换为电能，为静电吸附提供源源不断的能量，对于微细粒子的捕集作用非常有效。经过静电纺丝制备的薄膜具有良好的致密性和透气性，本身具有良好的物理过滤效果（图a/b），这种物理过滤机制和静电吸附的耦合，进一步增强了对微粒的捕集作用，不仅对大颗粒的过滤效果明显，而且对小颗粒、尤其是超细颗粒的过滤十分有效（图b/c/d），膜片的过滤寿命也大大延长。经过前后间隔30天的4小时连续测试发现，面罩对大颗粒的过滤效果始终维持在99.2%以上，而对极小颗粒的移除效率也高达86.9%（图e/f）。

图（a）人的吸呼机械能经过摩擦纳米发单机收集转化为电能；（b）面罩静电吸附的三个过程（i） 空气中的颗粒与薄膜接触（ii） 通过接触起电和电荷转移等方式使得不带电的颗粒带电，（iii）随着颗粒在薄膜的进一步深入，所有的颗粒都被吸附。（c）薄膜过滤后的区域和未过滤的区域微观图像对比；（d）摩擦纳米发电机的过滤效果与单一薄膜的过滤效果的对比；（e）4小时连续过滤测试；（f）30天后四小时连续过滤测试。

这一成果近期发表在ACS Applied Materials Interfaces 上，文章的第一作者是中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士研究生刘国旭和硕士研究生聂锦辉。

该论文作者为：Guoxu Liu, Jinhui Nie, Changbao Han, Tao Jiang, Zhiwei Yang, Yaokun Pang, Liang Xu, Tong Guo, Tianzhao Bu, Chi Zhang*, Zhong Lin Wang*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Self-Powered Electrostatic Adsorption Face Mask Based on Triboelectric Nanogenerator

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 7126–7133, DOI: 10.1021/acsami.7b18732

导师简介

王中林

http://www.x-mol.com/university/faculty/48479

张弛

http://www.x-mol.com/university/faculty/40444

课题组链接

http://www.binn.cas.cn/ktz/zcyjz/yjzjjzc/