王中林院士ACS Nano：一种高效去除颗粒物的方法—摩擦纳米发电机增强型纳米纤维空气过滤器

【引言】

通常，空气中的颗粒物（PM）依据粒径的大小可分为粗、细和超细颗粒（UFPs），直径分别在2.5-10μm（PM10）、<2.5μm（PM2.5）和<0.1μm（PM0.1）内。研究表明长时间暴露于污染空气（PM2.5）之中会导致呼吸道疾病、心血管等疾病的发生，因此如何有效去除空气中的PM备受关注。

【成果简介】

北京时间5月10日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和李从举研究员（共同通讯作者）在ACS Nano上发表最新研究成果“Triboelectric Nanogenerator Enhanced Nanofiber Air Filters for Efficient Particulate Matter Removal”，研究开发了一种高效旋转摩擦纳米发电机（R-TENG）增强型聚酰亚胺（PI）纳米纤维空气过滤器，用于环境气氛中PM的去除。研究人员对不同粒径的PM进行了过滤去除实验，得到了具有指导意义的实验数据。这种空气净化和雾霾处理的方法，具有零臭氧释放和低压降的优异性能。

【图文导读】

图1 过滤器去除空气中PM的原理和不同过滤器对PM的去除效果

（左）R-TENG增强的PI纳米纤维过滤器去除空气中PM的原理示意图；

（右）不同过滤器情况下对PM的去除效果对比图。

图2 PI纳米纤维的制造、结构与透射光谱

（a）通过静电纺丝制造PI空气过滤器的示意图；

（b-d）具有不同放大倍率的PI空气纳米纤维的SEM图像；

（e）静电纺丝时间为10至60分钟的PI过滤器照片；

（f）不同纺丝时间对应的PI纳米纤维膜的透射光谱。

图3 PM去除效率测量示意图与两种不同的过滤结构

（a）PM去除效率测量设置的示意图，插图是PI纳米纤维膜的FE-SEM图像；

（b）过滤器过滤结构的示意图，无R-TENG；

（c）过滤器过滤结构的示意图，有R-TENG；

（d）R-TENG的整流电压示意图；

（e）不同网眼大小和不同静电纺丝时间下，空气过滤器的PM2.5去除效率。

图4 不同因素对PM去除效率的影响

（a）不同静电纺丝时间下，不同过滤器（是否具有R-TENG增强）的PM2.5的去除效率；

（b）60分钟静电纺丝时间下，不同过滤器（是否具有R-TENG增强）对不同尺寸的PM的去除效率；

（c）不同气体速度下，不同过滤器（是否具有R-TENG增强）的PM2.5的去除效率；

（d）不同气体速度下，不同纺丝时间的过滤器压降情况。

图5不同粒径PM在过滤器中的过滤情况与去除效率

（a）在PM粒径为15-50nm之间时，三种不同情况下（未处理、过滤器处理和R-TENG增强的过滤器处理）PM的粒度分布；

（b）在PM粒径为15-50nm之间时，不同过滤器（是否具有R-TENG增强）的去除效率对比；

（c）在PM粒径为0.54-20μm之间时，三种不同情况下（未处理、过滤器处理和R-TENG增强的过滤器处理）PM的粒度分布；

（d）在PM粒径为0.54-20μm之间时，不同过滤器（是否具有R-TENG增强）的去除效率对比，图中使用的过滤器是静电纺丝60分钟所得。

【小结】

研究开发了高效率的R-TENG增强型PI纳米纤维空气过滤器，用于PM去除。PI静电纺丝纳米纤维膜对直径大于0.5μm的PM颗粒具有较高的去除效率。当使用R-TENG强化时，过滤器对PM的去除效率显著提高，特别是当PM的粒径小于100nm时，R-TENG增强型过滤器的去除效率保持在80%以上。这种具有高效去除效率的新技术为空气净化和雾霾处理提供了新的方法。

文献链接：Triboelectric Nanogenerator Enhanced Nanofiber Air Filters for Efficient Particulate Matter Removal（ACS Nano, 2017, DOI:10.1012/acsnano.7b02321）

本文由材料人编辑部卢海洲编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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