隨著近年來工業(yè)化與城市化的高速發(fā)展，空氣污染和能源危機日益嚴重。大氣中的污染物主要是由細顆粒物（PMx）和氣態(tài)污染物組成的復雜混合物，長期呼吸污染空氣會造成嚴重的健康問題，如心血管疾病、呼吸道疾病等。為了提高人們的生活質量，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，王中林教授團隊提出利用摩擦納米發(fā)電機（TENG）將周圍環(huán)境中的機械能轉化為電能，由于TENG具有較高的開路電壓，一般為數(shù)十伏至數(shù)百伏之間，不足以產生傳統(tǒng)高壓除塵中可能產生的臭氧產物，因此為TENG在清除空氣中PMx領域的應用提供了可能性。
日前，廣西大學王雙飛、聶雙喜團隊發(fā)表了摩擦納米發(fā)電機增強纖維素纖維空氣過濾器用于高效清除霧霾的最新研究進展，論文第一作者為2019級碩士研究生莫濟龍，碩士生張宸源、盧彥序、劉艷華、張妮參與了課題研究。該論文設計了一種自驅動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濾器（CFAF）組成。RP-TENG的功能不僅可以產生電能輸出，而且還可以利用活塞運動將被污染的空氣抽送至CFAF中。該論文對RP-TENG系統(tǒng)地進行了結構優(yōu)化并建立了運動數(shù)學模型，得到一個8單元的RP-TENG，具有結構緊湊、體積小、工作平穩(wěn)的優(yōu)點，開路電壓可以達到170V。充電后，CFAF對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。將該自驅動PMx清除系統(tǒng)安裝在具有轉動機械能的物體上，如共享單車的轉軸處，在低碳綠色出行的同時將浪費的轉動機械能充分用于凈化室外環(huán)境，進一步助力環(huán)保。本文為自驅動摩擦納米發(fā)電機增強空氣過濾器在戶外去除空氣中的PMx應用領域提供了全新、可持續(xù)的策略，具有巨大的應用前景。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以一個空心圓柱體為整體結構中心，8個TENG單元均勻分布在同一水平面上，各個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單元中流動的氣體并通往CFAF中進行過濾。黑色箭頭顯示了污染空氣的流動方向，含有高濃度PMx的空氣進入CFAF后首先經(jīng)過第一層纖維素纖維過濾層將大部分帶負電荷的PMx清除。然后再進過第二層的將少量帶正電荷的PMx清除，以達到更高效率清除PMx的效果。圖1b展示了TENG單元的結構，選擇CNF膜和FEP膜分別作為正、負摩擦材料，Cu作為正負摩擦電極。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的一個單元，c)RP-TENG的工作原理
圖2a所示是其檢測的示意圖。在轉速為60 rpm的條件下，對該RP-TENG的各個單元的電學輸出信號進行了測量。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。從側面能反映出該結構的電性能輸出優(yōu)勢，不僅只需要一個外界環(huán)境機械轉動能輸入就能帶動8個發(fā)電單元穩(wěn)定工作，而且各單元電信號輸出穩(wěn)定且峰值接近。將優(yōu)化后RP-TENG的8個單元分別用整流橋進行整流，如圖2d所示，并研究了整流后并聯(lián)單元個數(shù)與器件電能輸出的關系。圖2e?and?2f分別展示了RP-TENG在不同單元個數(shù)并聯(lián)下的整流電流與累計電荷量。
圖2 8個單元的RP-TENG電氣性能測試: a)RP-TENG整流前的示意圖，b）每個RP-TENG單元在60 rpm時的短路電流，c）每個RP-TENG單元在60 rpm時的電荷量，d）整流后的RP-TENG示意圖，e）在60 rpm時來不同單元個數(shù)的RP-TENG整流后并聯(lián)的電流值，f）在60 rpm時RP-TENG不同數(shù)量的整流單元并聯(lián)累計電荷量
為了證實該自驅動PMx清除系統(tǒng)可以作為有效轉動能量采集器和氣體輸送器，在RP-TENG與CFAF集成之后，整個裝置可以安裝在具有轉動機械能的物體上，如共享單車的轉軸處（圖3a），以解決PMx的污染問題，凈化城市空氣。圖3b?and3c展示CFAF的過濾工作機理。圖3d展示了纖維素纖維過濾網(wǎng)吸附PMx后的元素組成比例，過濾后纖維素纖維過濾網(wǎng)表面的C、Si、Ca元素顯著增加。過濾前的纖維素纖維過濾網(wǎng)保持著良好的微觀纖維網(wǎng)絡結構（圖3e）。過濾后PMx粒子被吸附到了纖維的表面以及填充到纖維相互交錯的網(wǎng)絡結構中（圖3f?and?3g）。這表明纖維素纖維紙對PMx具有良好的吸附作用。圖3h?and3i展示了在60 rpm的轉速下，RP-TENG與CFAF的電路斷路和連接后對PM2.5和PM10的清除效率，充電后60分鐘CFAF對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%。這表明該自驅動PMx清除系統(tǒng)具有超高的PMx清除效率，主要歸因于徑向活塞結構較高的空氣輸送效率和RP-TENG的高電性能輸出，顯示出該自驅動系統(tǒng)對清除室外空氣中的PMx具有巨大的應用潛力。
圖3?自驅動PMx清除系統(tǒng)吸附機理及其吸附性能
圖3 通過徑向活塞TENG的自供電PM吸附系統(tǒng)：a）由自行車驅動的自驅動徑向活塞TENG系統(tǒng)的示意圖，b）不供電時CFAF過濾機制示意圖，c）自驅動供電時CFAF過濾機制示意圖，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吸附后帶負電的纖維素紙的微觀形態(tài)，h）在有和沒有R-TENG的情況下，不同時間的PM2.5顆粒去除效率，i）在有和沒有R-TENG的情況下，不同時間的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
這篇文章展示了一種由RP-TENG與CFAF集成的自驅動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8個發(fā)電單元的并聯(lián)連接，新開發(fā)的RP-TENG 可以實現(xiàn)170 V的開路電壓和3.4 mW/m2的高功率密度?？赏ㄟ^將自驅動PMx清除系統(tǒng)安裝于共享單車轉軸處，將轉動機械能收集起來，然后立即利用靜電吸附清除周圍空氣中的PMx。結合機理和實驗結果，系統(tǒng)闡述了PMx清除系統(tǒng)的工作原理。PMx清除系統(tǒng)不僅可對浪費的機械能進行收集，而且在結構簡單，成本低廉和高效率方面具有明顯的優(yōu)勢。因此，這種自驅動的PMx清除系統(tǒng)在戶外空氣凈化領域具有巨大的應用潛力，為未來戶外PMx的清除技術發(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?）
