空氣負(fù)離子（NAI）被稱(chēng)為“空氣維生素”，它們廣泛用于室內(nèi)空氣凈化，包括去除空氣中的顆粒物、對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行氧化分解和抑菌。除了從森林、瀑布和暴雨等自然來(lái)源外，目前還開(kāi)發(fā)了基于電暈放電、熱離子電子發(fā)射、光激發(fā)和勒納效應(yīng)的納米空氣負(fù)離子發(fā)生器。盡管如此，使用升壓電路模塊通常為針狀電極，并為此產(chǎn)生高電壓，但該模塊存在許多缺點(diǎn)，例如電路復(fù)雜、尺寸笨重和危險(xiǎn)，很大程度上限制了現(xiàn)有電暈NAI應(yīng)用的多樣性發(fā)展。為尋求替代產(chǎn)品，水和熱釋電晶體之間的反應(yīng)生成NAI或通過(guò)機(jī)械壓力從混合的熱釋電化合物中釋放NAIs。然而，這些方法產(chǎn)生的NAI濃度較低，無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今人們的需求。
【研究成果】
近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林教授以及臺(tái)灣省暨南大學(xué)Vincent K. S. Hsiao教授課題組在摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器（MSNG）方面取得重要進(jìn)展。作者首先分別對(duì)獨(dú)立摩擦層模式和接觸分離模式的摩擦納米發(fā)電器件進(jìn)行了系統(tǒng)地測(cè)試研究，并通過(guò)質(zhì)譜檢測(cè)對(duì)負(fù)離子的產(chǎn)生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)生機(jī)理上的分析。然后，利用摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)碳纖維，摩擦納米發(fā)電器件中97 %的輸出電荷均可以有效的轉(zhuǎn)化為空氣負(fù)離子。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，納米摩擦發(fā)電機(jī)在一個(gè)滑動(dòng)周期中，實(shí)際測(cè)試產(chǎn)生了約2×1013個(gè)數(shù)量的空氣負(fù)離子。值得注意的是，在一個(gè)約5100 cm3的腔體內(nèi)，0.25 Hz的滑動(dòng)頻率下，PM 2.5可以從999 ug m-3在80 s內(nèi)快速降至0 ug?m-3。該工作以標(biāo)題“A highly efficient triboelectric negative air ion generator” 發(fā)表于國(guó)際重要期刊Nature Sustainability上。文章的通訊作者為中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林教授以及臺(tái)灣省暨南大學(xué)Vincent K. S. Hsiao教授。
【器件構(gòu)造】
圖1 摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器的構(gòu)造和工作原理。
電暈放電是一種廣泛用于研制人工NAI發(fā)生器的機(jī)制。作者開(kāi)發(fā)了一種高電壓的便攜式碳纖維發(fā)生器。摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且高度集成的器件，主要由TENG元件、高壓整流電路模塊和碳纖維陣列電極組成。直徑為10μm的電極促進(jìn)了空氣電離的局部高電場(chǎng)的形成。為了產(chǎn)生更高的輸出電壓，對(duì)TENG摩擦層的表面進(jìn)行蝕刻以形成納米結(jié)構(gòu)。在器件原型中，觸點(diǎn)分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)(CS-TENG)將垂直機(jī)械運(yùn)動(dòng)（例如，振動(dòng)、踩踏和敲擊）轉(zhuǎn)化為電能，以驅(qū)動(dòng)碳電極尖端的NAI發(fā)電。此外，通過(guò)將CS-TENG替換為自由式摩擦納米發(fā)電機(jī)(FS-TENG)來(lái)轉(zhuǎn)換水平運(yùn)動(dòng)（例如，滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)），MSNG還可以作為便攜式設(shè)備，通過(guò)從生物力學(xué)輸入、風(fēng)和水流中收集能量來(lái)持續(xù)產(chǎn)生NAI。當(dāng)合并的TENG器件運(yùn)行時(shí)，NAI密度從0急劇上升到120×106個(gè)離子每立方厘米，這證明了我們基于TENG的NAI發(fā)生器的有效性。此外，生成的NAI物種通過(guò)質(zhì)譜進(jìn)一步鑒定。通過(guò)質(zhì)譜成功地檢測(cè)到了與（H2O）n離子結(jié)合的O?、O2?、O3?、O3?、CO4?、NO2?、NO3?、OH–和HCO3?與（H2O）n離子結(jié)合。
【定量化研究】
圖2 摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器的電離定量化研究。
由于商業(yè)化空氣離子計(jì)數(shù)器的采樣率太低，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量產(chǎn)生離子的總量，因此作者設(shè)計(jì)了一個(gè)用于定量監(jiān)測(cè)NAIs的測(cè)試平臺(tái)。碳纖維電極固定在兩側(cè)開(kāi)口的玻璃室中，一側(cè)安裝風(fēng)扇，另一側(cè)使用導(dǎo)電銀織物密封。在操作TENG裝置時(shí)，風(fēng)機(jī)將產(chǎn)生的NAI推向致密導(dǎo)電的銀織物，該織物收集通過(guò)安培計(jì)或庫(kù)侖計(jì)的空氣中的大部分帶電離子。利用該測(cè)試平臺(tái)，記錄了不同直流負(fù)電壓下收集的離子產(chǎn)生的平均電流。觀(guān)察到類(lèi)似二極管的整流曲線(xiàn)，當(dāng)電壓超過(guò)?2000 V時(shí)，電流急劇增加，這表明碳纖維電極有效生成NAI。對(duì)于FS-TENG，由于其恒定電容，正向和反向運(yùn)動(dòng)步進(jìn)的電壓輸出均達(dá)到11 kV。另一方面，由于CS-TENG中兩個(gè)電極的電容變化，每個(gè)分離電壓達(dá)到5000 V，每個(gè)接觸電壓僅為800 V。此外，對(duì)于FS-TENG和CS-TENG，每個(gè)工作步驟的短路電荷轉(zhuǎn)移量達(dá)到~1.7 μC和~0.35 μC。所有這些結(jié)果都清楚地表明，基于TENG的高壓電源完全可以滿(mǎn)足空氣電離的要求。
【工作原理】
圖3 摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器工作機(jī)理分析。
建立的電壓（V）與總轉(zhuǎn)移電荷（Q）的關(guān)系圖決定了TENG器件的工作狀態(tài)，通常被用于分析和優(yōu)化TENG的工作過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)已證實(shí)，TENGs不能超過(guò)其最大輸出周期工作。在此，作者設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)控制過(guò)程，以最大限度地使用FS-和CS-TENGs進(jìn)行輸出。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，作者假設(shè)當(dāng)電壓低于閾值電壓時(shí)不會(huì)發(fā)生電離現(xiàn)象，而在閾值電壓及以上形成大量離子。因此，產(chǎn)生的NAI相當(dāng)于這一時(shí)期TENG的總電荷轉(zhuǎn)移。值得注意的是，在這種反向/接觸過(guò)程中，與TENG電極的電氣連接應(yīng)顛倒，以確保碳電極上始終存在負(fù)電位。對(duì)于CS-TENG，在分離和接觸過(guò)程中分別測(cè)量和計(jì)算了250 nC（相當(dāng)于1.5×1012個(gè)離子）和0 nC的NAI短路轉(zhuǎn)移電荷，其電子-離子轉(zhuǎn)換效率分別為70 %和0 %。上述結(jié)果和分析有效地證明了摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器的高效性。
【空氣凈化效果】
圖4 摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器的空氣凈化性能。
機(jī)械開(kāi)關(guān)和反向電路連接不適用于從自然機(jī)械能產(chǎn)生可持續(xù)的NAI。在這項(xiàng)研究中，高壓整流電路被整合到摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器中，以確保碳纖維電極在每個(gè)工作循環(huán)中的負(fù)電位，同時(shí)驅(qū)動(dòng)高能電子進(jìn)行空氣電離。值得注意的是，電路的正極節(jié)點(diǎn)應(yīng)始終接地，以提供連續(xù)的電子，而TENG的功能是向碳纖維電極區(qū)域輸送電子。在實(shí)際應(yīng)用中，整流電路中各二極管元件的反向電壓限制了碳電極的最大電位，這可能會(huì)顯著影響NAI的生產(chǎn)率。最后，作者將煙霧注入系統(tǒng)后，PM 2.5水平急劇上升至過(guò)載水平（999 μg m?3），在靜止條件下的試驗(yàn)期間保持恒定。相比之下，當(dāng)FS-TENG以0.25 Hz的頻率運(yùn)行時(shí)，pm2.5在80秒內(nèi)迅速下降到0 μg m?3。說(shuō)明了摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器的高效空氣凈化能力及其在大幅度提高工業(yè)可持續(xù)性和保護(hù)環(huán)境方面的潛在應(yīng)用。
【研究小結(jié)】
綜上所述，作者展示了一種電暈型摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器，它主要利用了TENG原理和碳纖維電極的高輸出電壓作用。利用空氣離子計(jì)數(shù)器和質(zhì)譜儀對(duì)摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生的NAI進(jìn)行了定量分析。為了證明摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器去除PM2.5的能力，一個(gè)手掌大小的裝置在一次滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生了1×1013個(gè)NAI，在一個(gè)約5100 cm3的腔體內(nèi)，0.25 Hz的滑動(dòng)頻率下，PM 2.5可以從999 ug m-3在80 s內(nèi)快速降至0 ug m-3。納米發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，包括其便攜性、材料多樣性和低成本等優(yōu)勢(shì)。以上清楚地表明，該工作為推進(jìn)可持續(xù)社會(huì)奠定了良好基礎(chǔ)。
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