摩擦納米發(fā)電機（R-TENG）增強型聚酰亞胺（PI）納米纖維空氣過濾器，用于環(huán)境氣氛中PM的去除

近年來，由于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和日益增長的化石能源的消耗，懸浮顆粒導(dǎo)致的空氣污染變得越來越嚴重。這些懸浮顆粒是形成霧霾的主要原因。通常情況下，空氣中的顆粒物（PM）依據(jù)粒徑的大小可分為粗、細和超細顆粒（UFPs），直徑分別在2.5-10 μm（PM10）、< 2.5 μm（PM2.5）和< 0.1 μm（PM0.1）內(nèi)。研究表明長時間暴露于污染空氣（PM2.5）之中會導(dǎo)致呼吸道、心血管等疾病的發(fā)生，因此如何有效去除空氣中的PM備受關(guān)注。目前市場上的空氣凈化器主要包括靜電過濾器和纖維過濾器兩種。靜電過濾器主要是通過高壓靜電場使霧霾顆粒帶電并吸附沉積來凈化空氣。其缺點是高壓電場不可避免地會擊穿空氣，產(chǎn)生副產(chǎn)物臭氧。臭氧對人們的健康有害，具有致癌性。而纖維過濾器，如HEPA濾網(wǎng)、納米纖維濾網(wǎng)對尺寸大于濾網(wǎng)網(wǎng)孔的懸浮顆粒具有很好的過濾效果，但對于小于濾網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸的顆粒，效率大幅度下降。

中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士和李從舉研究員（共同通訊作者）開發(fā)了一種高效旋轉(zhuǎn)摩擦納米發(fā)電機（R-TENG）增強型聚酰亞胺（PI）納米纖維空氣過濾器，用于環(huán)境氣氛中PM的去除。研究人員對不同粒徑的PM進行了過濾去除實驗，得到了具有指導(dǎo)意義的實驗數(shù)據(jù)。這種空氣凈化和霧霾處理的方法，具有零臭氧釋放和低壓降的優(yōu)異性能。

圖1. 過濾器去除空氣中PM的原理和不同過濾器對PM的去除效果。（左）R-TENG增強的PI納米纖維過濾器去除空氣中PM的原理示意圖；（右）不同過濾器對PM的去除效果對比圖。

圖2. PI納米纖維的制造、結(jié)構(gòu)與透射光譜。（a）通過靜電紡絲制造PI空氣過濾器的示意圖；（b）（c）（d）具有不同放大倍率的PI空氣納米纖維的SEM圖像；（e）靜電紡絲時間為10至60分鐘的PI過濾器照片；（f）不同紡絲時間對應(yīng)PI納米纖維膜的透射光譜。

圖3. PM去除效率測量示意圖與兩種不同的過濾結(jié)構(gòu)。（a）PM去除效率測量裝置的示意圖，插圖是PI納米纖維膜的FE-SEM圖像；（b）過濾器過濾結(jié)構(gòu)的示意圖，無R-TENG；（c）過濾器過濾結(jié)構(gòu)的示意圖，有R-TENG；（d）R-TENG的整流電壓示意圖；（e）不同網(wǎng)眼大小和靜電紡絲時間下，空氣過濾器的PM2.5去除效率。

圖4. 不同因素對PM去除效率的影響。（a）不同靜電紡絲時間下，不同過濾器（是否具有R-TENG增強）的PM2.5去除效率；（b）60分鐘靜電紡絲時間下，不同過濾器（是否具有R-TENG增強）對不同尺寸PM的去除效率；（c）不同氣體速度下，不同過濾器（是否具有R-TENG增強）PM2.5的去除效率；（d）不同氣體速度下，不同紡絲時間的過濾器壓降情況。

圖5. 不同粒徑PM在過濾器中的過濾情況與去除效率。（a）PM粒徑為15-50 nm之間時，三種不同情況下（未處理、過濾器處理和R-TENG增強的過濾器處理）PM的粒度分布；（b）在PM粒徑為15-50 nm之間時，不同過濾器（是否具有R-TENG增強）的去除效率對比；（c）在PM粒徑為0.54-20 μm之間時，三種不同情況下（未處理、過濾器處理和R-TENG增強的過濾器處理）PM的粒度分布；（d）在PM粒徑為0.54-20 μm之間時，不同過濾器（是否具有R-TENG增強）的去除效率對比，圖中使用的過濾器是靜電紡絲60分鐘后得到的。

小結(jié)

王中林院士和李從舉研究員開發(fā)了高效率的R-TENG增強型PI納米纖維空氣過濾器用于去除PM。PI靜電紡絲納米纖維膜對直徑大于0.5 μm的PM顆粒具有較高的去除效率。當使用R-TENG強化時，過濾器對PM的去除效率顯著提高，特別是當PM的粒徑小于100 nm時，R-TENG增強型過濾器的去除效率保持在80%以上。這種具有高效去除效率的新技術(shù)為空氣凈化和霧霾處理提供了新的方法。這一成果近期發(fā)表在ACS Nano上，文章的第一作者是北京納米能源與系統(tǒng)研究所的博士研究生顧廣欽和韓昌報副研究員。