隨著近年來(lái)工業(yè)化與城市化的高速發(fā)展，空氣污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重。大氣中的污染物主要是由細(xì)顆粒物（PMx）和氣態(tài)污染物組成的復(fù)雜混合物，長(zhǎng)期呼吸污染空氣會(huì)造成嚴(yán)重的健康問(wèn)題，如心血管疾病、呼吸道疾病等。為了提高人們的生活質(zhì)量，尋找低成本、綠色環(huán)保、可再生的空氣清凈方法去除污染空氣中的PMx十分迫切和必要。2012年，王中林教授團(tuán)隊(duì)提出利用摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）將周圍環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，由于TENG具有較高的開(kāi)路電壓，一般為數(shù)十伏至數(shù)百伏之間，不足以產(chǎn)生傳統(tǒng)高壓除塵中可能產(chǎn)生的臭氧產(chǎn)物，因此為T(mén)ENG在清除空氣中PMx領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性。
日前，廣西大學(xué)王雙飛、聶雙喜團(tuán)隊(duì)發(fā)表了摩擦納米發(fā)電機(jī)增強(qiáng)纖維素纖維空氣過(guò)濾器用于高效清除霧霾的最新研究進(jìn)展，論文第一作者為2019級(jí)碩士研究生莫濟(jì)龍，碩士生張宸源、盧彥序、劉艷華、張妮參與了課題研究。該論文設(shè)計(jì)了一種自驅(qū)動(dòng)PMx清除系統(tǒng)，由徑向活塞式TENG（RP-TENG）、單向氣閥和纖維素纖維空氣過(guò)濾器（CFAF）組成。RP-TENG的功能不僅可以產(chǎn)生電能輸出，而且還可以利用活塞運(yùn)動(dòng)將被污染的空氣抽送至CFAF中。該論文對(duì)RP-TENG系統(tǒng)地進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化并建立了運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，得到一個(gè)8單元的RP-TENG，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、工作平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)路電壓可以達(dá)到170V。充電后，CFAF對(duì)PM2.5的清除效率為83.78%，PM10的清除效率為86.82%，分別是未充電的1.21倍和1.27倍。將該自驅(qū)動(dòng)PMx清除系統(tǒng)安裝在具有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能的物體上，如共享單車的轉(zhuǎn)軸處，在低碳綠色出行的同時(shí)將浪費(fèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能充分用于凈化室外環(huán)境，進(jìn)一步助力環(huán)保。本文為自驅(qū)動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)增強(qiáng)空氣過(guò)濾器在戶外去除空氣中的PMx應(yīng)用領(lǐng)域提供了全新、可持續(xù)的策略，具有巨大的應(yīng)用前景。該成果以題為“Radial-piston-shaped triboelectric nanogenerator enhanced cellulose fiber air filter for self-powered particulate matter removal”發(fā)表在最新一期《Nano Energy》上。
圖文解析
PMx清除系統(tǒng)如圖1a所示，RP-TENG以一個(gè)空心圓柱體為整體結(jié)構(gòu)中心，8個(gè)TENG單元均勻分布在同一水平面上，各個(gè)TENG單元之間徑向相隔45°依次排列，使RP-TENG擁有較好工作穩(wěn)定性。9通閥用于收集不同TENG單元中流動(dòng)的氣體并通往CFAF中進(jìn)行過(guò)濾。黑色箭頭顯示了污染空氣的流動(dòng)方向，含有高濃度PMx的空氣進(jìn)入CFAF后首先經(jīng)過(guò)第一層纖維素纖維過(guò)濾層將大部分帶負(fù)電荷的PMx清除。然后再進(jìn)過(guò)第二層的將少量帶正電荷的PMx清除，以達(dá)到更高效率清除PMx的效果。圖1b展示了TENG單元的結(jié)構(gòu)，選擇CNF膜和FEP膜分別作為正、負(fù)摩擦材料，Cu作為正負(fù)摩擦電極。圖1c展示了TENG的工作原理。
圖1 PMx清除系統(tǒng)示意圖圖和工作原理: a）顆粒物吸附系統(tǒng), b)TENG的一個(gè)單元，c)RP-TENG的工作原理
圖2a所示是其檢測(cè)的示意圖。在轉(zhuǎn)速為60 rpm的條件下，對(duì)該RP-TENG的各個(gè)單元的電學(xué)輸出信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。如圖2b?and?2c所示，各單元的短路電流和電荷量的峰值均比較穩(wěn)定，平均短路電流峰值和電荷量峰值分別約為0.45 μA和45 μC。從側(cè)面能反映出該結(jié)構(gòu)的電性能輸出優(yōu)勢(shì)，不僅只需要一個(gè)外界環(huán)境機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)能輸入就能帶動(dòng)8個(gè)發(fā)電單元穩(wěn)定工作，而且各單元電信號(hào)輸出穩(wěn)定且峰值接近。將優(yōu)化后RP-TENG的8個(gè)單元分別用整流橋進(jìn)行整流，如圖2d所示，并研究了整流后并聯(lián)單元個(gè)數(shù)與器件電能輸出的關(guān)系。圖2e?and?2f分別展示了RP-TENG在不同單元個(gè)數(shù)并聯(lián)下的整流電流與累計(jì)電荷量。
圖2 8個(gè)單元的RP-TENG電氣性能測(cè)試: a)RP-TENG整流前的示意圖，b）每個(gè)RP-TENG單元在60 rpm時(shí)的短路電流，c）每個(gè)RP-TENG單元在60 rpm時(shí)的電荷量，d）整流后的RP-TENG示意圖，e）在60 rpm時(shí)來(lái)不同單元個(gè)數(shù)的RP-TENG整流后并聯(lián)的電流值，f）在60 rpm時(shí)RP-TENG不同數(shù)量的整流單元并聯(lián)累計(jì)電荷量
為了證實(shí)該自驅(qū)動(dòng)PMx清除系統(tǒng)可以作為有效轉(zhuǎn)動(dòng)能量采集器和氣體輸送器，在RP-TENG與CFAF集成之后，整個(gè)裝置可以安裝在具有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能的物體上，如共享單車的轉(zhuǎn)軸處（圖3a），以解決PMx的污染問(wèn)題，凈化城市空氣。圖3b?and3c展示CFAF的過(guò)濾工作機(jī)理。圖3d展示了纖維素纖維過(guò)濾網(wǎng)吸附PMx后的元素組成比例，過(guò)濾后纖維素纖維過(guò)濾網(wǎng)表面的C、Si、Ca元素顯著增加。過(guò)濾前的纖維素纖維過(guò)濾網(wǎng)保持著良好的微觀纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖3e）。過(guò)濾后PMx粒子被吸附到了纖維的表面以及填充到纖維相互交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中（圖3f?and?3g）。這表明纖維素纖維紙對(duì)PMx具有良好的吸附作用。圖3h?and3i展示了在60 rpm的轉(zhuǎn)速下，RP-TENG與CFAF的電路斷路和連接后對(duì)PM2.5和PM10的清除效率，充電后60分鐘CFAF對(duì)PM2.5和PM10的吸附效率分別從68.75%和70.18%提高到了83.79%和86.82%。這表明該自驅(qū)動(dòng)PMx清除系統(tǒng)具有超高的PMx清除效率，主要?dú)w因于徑向活塞結(jié)構(gòu)較高的空氣輸送效率和RP-TENG的高電性能輸出，顯示出該自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)清除室外空氣中的PMx具有巨大的應(yīng)用潛力。
圖3?自驅(qū)動(dòng)PMx清除系統(tǒng)吸附機(jī)理及其吸附性能
圖3 通過(guò)徑向活塞TENG的自供電PM吸附系統(tǒng)：a）由自行車驅(qū)動(dòng)的自驅(qū)動(dòng)徑向活塞TENG系統(tǒng)的示意圖，b）不供電時(shí)CFAF過(guò)濾機(jī)制示意圖，c）自驅(qū)動(dòng)供電時(shí)CFAF過(guò)濾機(jī)制示意圖，d）PMx吸附后纖維素紙的元素組成，e）觀察PMx吸附之前纖維素紙的微觀形態(tài)， e)觀察PMx吸附后帶正電的纖維素紙的微觀形態(tài)，g）觀察PMx吸附后帶負(fù)電的纖維素紙的微觀形態(tài)，h）在有和沒(méi)有R-TENG的情況下，不同時(shí)間的PM2.5顆粒去除效率，i）在有和沒(méi)有R-TENG的情況下，不同時(shí)間的PM10顆粒數(shù)去除效率，j）CFAF和CFAF+RP-TENG的PM2.5去除效果比較
小結(jié)
這篇文章展示了一種由RP-TENG與CFAF集成的自驅(qū)動(dòng)PM清除系統(tǒng)，該系統(tǒng)可適用于戶外高效清除空氣中的PMx。通過(guò)8個(gè)發(fā)電單元的并聯(lián)連接，新開(kāi)發(fā)的RP-TENG 可以實(shí)現(xiàn)170 V的開(kāi)路電壓和3.4 mW/m2的高功率密度?？赏ㄟ^(guò)將自驅(qū)動(dòng)PMx清除系統(tǒng)安裝于共享單車轉(zhuǎn)軸處，將轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能收集起來(lái)，然后立即利用靜電吸附清除周圍空氣中的PMx。結(jié)合機(jī)理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)闡述了PMx清除系統(tǒng)的工作原理。PMx清除系統(tǒng)不僅可對(duì)浪費(fèi)的機(jī)械能進(jìn)行收集，而且在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉和高效率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，這種自驅(qū)動(dòng)的PMx清除系統(tǒng)在戶外空氣凈化領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，為未來(lái)戶外PMx的清除技術(shù)發(fā)展提供了全新的方案。
全文鏈接：
Radial-piston-shaped triboelectric nanogenerator enhanced cellulose fiber air filter for self-powered particulate matter removal（Nano Energy.,?https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105357?）
