基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動靜電吸附面罩

來源：易絲幫

隨著工業(yè)化進程加速，環(huán)境污染嚴重，不可避免的給人們帶來負面影響，用于監(jiān)測和防護人體各功能區(qū)的可穿戴式防護設(shè)備就顯得尤為重要。目前，可穿戴式防護設(shè)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(shè)備尚不能滿足人類自身的健康需求。

日前，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所張弛研究員和王中林院士指導(dǎo)的團隊，基于聚偏氟乙烯（PVDF）靜電紡絲與摩擦納米發(fā)電機（TENG），研制了自驅(qū)動靜電吸附面罩。這一成果近期發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 7126–7133上，文章的作者是中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)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(chǎn)生的機械能并通過摩擦納米發(fā)電機轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)過前后間隔30天的4小時連續(xù)測試發(fā)現(xiàn)，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(jīng)過摩擦納米發(fā)單機收集轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)域和未過濾的區(qū)域微觀圖像對比；(d)摩擦納米發(fā)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(xù)過濾測試；(f)30天后四小時連續(xù)過濾測試。

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