华中科大黄亮ACS Nano：陷阱诱导富电荷全氟驻极体纳米纤维用于可重复利用多功健康管理口罩

【引言】

吸入含有大量病毒（如COVID-19）、细菌、颗粒物（PM）的被污染空气可引起病毒感染、呼吸道疾病、心血管疾病，甚至癌症，对人类健康构成巨大威胁。超细PM，尤其是PM_0.3，会对人体造成较严重的伤害，并携带各种病毒，更应引起人们的关注。为了降低健康风险，穿戴式过滤器和可穿戴式健康监测设备已被广泛应用于过滤空气中污染和早期疾病预测。传统用于过滤病毒和PMs的纤维型过滤材料主要依靠机械捕捉机制（主要包括布朗运动、扩散效应和拦截效应）。通常情况下，这些纤维材料的压降较大，对0.3μm左右的超细颗粒物的过滤效率不高，限制了空气过滤器的性能提升。相比之下，驻极体空气过滤器，如驻极体电纺纳米纤维膜、驻极体熔喷纤维膜等，可以充分利用静电沉积效应解决上述问题。然而，普通驻极体空气过滤器在高温高湿条件下不稳定，导致工作稳定性差，且消毒后不能重复使用。因此，开发在恶劣条件下具有更强的电荷存储能力和高电荷稳定性的驻极体材料，是获得高性能空气过滤器比较有前途的方法。另一方面，实时监测吸入污染空气引起的呼吸道疾病，通常可以通过基于压阻或电容机制的可穿戴式健康监测设备来实现。但是，这些设备通常需要由电池或电容供电，因此复杂且昂贵。能够存储真实电荷或偶极电荷的驻极材料可以构建成纳米发电机（NG），提供了一种将机械能转化为电能的有效方法。具体来说，全氟聚合物作为制造NG的典型单电荷驻极体材料，被广泛用于构建自驱动的健康监测设备。然而，全氟驻极体材料的电荷存储能力和环境稳定性有待进一步提高，以满足实际应用的要求。一般来说，驻极体材料的电荷存储能力依赖于电荷陷阱的数量，而电荷陷阱主要存在于分子链上（尤其是高链对称性和强电负性基团的存在）、相邻分子之间或晶区-非晶区界面上。由此可见，晶区和非晶区的界面对增强驻极体材料的电荷存储能力具有重要作用。因此，构建晶区和非晶区之间的界面以获得富含大量电荷且环境稳定的全氟驻极体材料是一种有效的策略。

【成果简介】

近日，华中滚球体育大学黄亮博士研发了一种陷阱诱导的高单电荷密度的复合全氟驻极体纳米纤维膜（HPFM），用于高效过滤超细PM_0.3，其过滤效率高达99.712%，且具有低压降差（38.1 Pa）和高品质因子（0.154 Pa^-1）。此外，通过集成基于HPFM的纳米发电机，构建了一种可循环使用的多功能健康管理口罩，同时实现了高效过滤PM_0.3和无线实时人体呼吸监测。更重要的是，该口罩即使在100 %RH湿度和92 ℃温度条件下放置48小时后，性能仍然比较稳定，这表明其可在消毒后重复使用。制备HPFM的策略提供了一种获得富含大量电荷且环境稳定的驻极材料的方法，多功能口罩的构建证明了其在健康防护和健康监测设备中的潜在应用。该成果以题为“Trap-Induced Dense Monocharged Perfluorinated Electret Nanofibers for Recyclable Multifunctional Healthcare Mask”发表在了ACS Nano上，本文的第一作者为博士生林诗哲。

【图文导读】

图1 HPFM的形貌和结构

（a）HPFM合成工艺示意图。

（b）HPFM的数码照片。

（c）HPFM-PEO和（d）HPFM的HPFM SEM图像的数码照片。

（e）FFM、PFM和HPFM的FTIR光谱。插图是放大的图像。

图2 HPFM的电荷存储机制

（a）HPFM电荷存储机制的示意图。

（b）HPFM中氟原子捕获的电子。

（c）低结晶度FEP和高结晶度PTFE之间的界面捕获的电子。

（d）表面电势随时间变化。

（e）TSD曲线。

（f）FFM、PFM和HPFM纳米纤维的KPFM图像。

图3 HPFM的过滤性能

在气流面速度约为5.33 cm/s的一系列克重下，FFM、PFM和HPFM（a，c）的PM_0.3过滤效率、压差和品质因子（QFs）；在气流面速度为5.33 ~ 16.00 cm/s的一系列克重下，（b，d）的PM_0.3过滤效率、压差和品质因子（QFs）。测试中使用的粒子为PM_0.3。

图4健康管理口罩的结构和过滤性能

（a）健康管理口罩的结构和工作机制示意图。

（b）健康管理口罩的数码照片。

（c，d）相对湿度为100 % RH、不同温度、气流面速度约为5.33 cm/s的健康管理口罩在48 h内(c)PM_0.3过滤效率和（d）品质因子变化趋势。

图5健康管理口罩的健康监测性能

（a，c）呼吸的初始信号（b，d）在移动电话上显示的实时呼吸信号、呼吸频率和呼吸过速消息的照片；测试人是一位28岁健康男性，测试状态分别为充分消息后和剧烈运动后。

（e）口罩在相对湿度为100% RH、温度为92℃条件下存放不同时间后，同一人静止状态下测试的初始呼吸信号，以及（f）相应归一化的平均峰值电流。

【小结】

综上所述，团队报道了一种在低结晶度FEP和高结晶度PTFE之间具有纳米级界面的HPFM。此HPFM含有大量的真实电荷，PM_0.3过滤效率为99.712%，压差为38.1 Pa，品质因子为0.154 Pa^-1。此外，用HPFM组装而成的多功健康管理口罩可作为高效的PM_0.3过滤器和自驱动传感器，在高温高湿环境下实现高效过滤并同时监测人体的呼吸信息。这种可规模化的HPFM具有极高且稳定的真实电荷存储能力，实际应用潜力巨大。

文献链接：Trap-Induced Dense Monocharged Perfluorinated Electret Nanofibers for Recyclable Multifunctional Healthcare Mask（ACS Nano，2021，DOI:10.1021/acsnano.1c00238）

本文由木文韬翻译整理。

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