基于摩擦納米發電機的自驅動靜電吸附面罩

來源：易絲幫

隨著工業化進程加速，環境污染嚴重，不可避免的給人們帶來負面影響，用于監測和防護人體各功能區的可穿戴式防護設備就顯得尤為重要。目前，可穿戴式防護設備的過濾機制主要是物理過濾、物理吸附等，其過濾機制單一，壽命短，對大顆粒的過濾效果較好，但對小顆粒的過濾效果卻極為有限，尤其是空氣中懸浮的超細粒子（粒徑<1μm），傳播距離遠、比表面積大、易攜帶病毒，吸入人體后易在呼吸道、肺泡等沉積，甚至進入血液，對人體危害較大。因此，這類防護設備尚不能滿足人類自身的健康需求。

日前，中國科學院北京納米能源與系統研究所張弛研究員和王中林院士指導的團隊，基于聚偏氟乙烯（PVDF）靜電紡絲與摩擦納米發電機（TENG），研制了自驅動靜電吸附面罩。這一成果近期發表在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 7126–7133上，文章的作者是中國科學院北京納米能源與系統研究所博士研究生劉國旭和碩士研究生聶錦輝。

該面罩可收集人體呼吸過程中產生的機械能并通過摩擦納米發電機轉換為電能，為靜電吸附提供*的能量，對于微細粒子的捕集作用非常有效。經過靜電紡絲制備的薄膜具有良好的致密性和透氣性，本身具有良好的物理過濾效果（圖a/b），這種物理過濾機制和靜電吸附的耦合，進一步增強了對微粒的捕集作用，不僅對大顆粒的過濾效果明顯，而且對小顆粒、尤其是超細顆粒的過濾十分有效（圖b/c/d），膜片的過濾壽命也大大延長。經過前后間隔30天的4小時連續測試發現，面罩對大顆粒的過濾效果始終維持在99.2%以上，而對極小顆粒的移除效率也高達86.9%（圖e/f）。

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圖(a)人的吸呼機械能經過摩擦納米發單機收集轉化為電能；(b)面罩靜電吸附的三個過程(i) 空氣中的顆粒與薄膜接觸(ii) 通過接觸起電和電荷轉移等方式使得不帶電的顆粒帶電，(iii)隨著顆粒在薄膜的進一步深入，所有的顆粒都被吸附。(c)薄膜過濾后的區域和未過濾的區域微觀圖像對比；(d)摩擦納米發電機的過濾效果與單一薄膜的過濾效果的對比；(e)4小時連續過濾測試；(f)30天后四小時連續過濾測試。

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