广西大学Nano Energy：透气的摩擦电材料制备的自供电医疗产品

第一作者：付秋

通讯作者：聂双喜

通讯单位：广西大学

【文章概述】

由于新冠肺炎等冠状病毒疾病的爆发以及颗粒物（PMs）造成的空气污染问题，用于防止病毒传播和保护人类健康的保健产品，特别是可穿戴智能口罩的需求不断增加。然而，可穿戴电子产品的电源供应、透气性、过滤性能等方面仍存在诸多挑战。因此，迫切需要开发一种更简单、更便携的自供电医疗产品，同时具备呼吸监测和颗粒物过滤功能来监测和保护人们的身体健康。

近日，广西大学聂双喜教授团队设计了一种透气、高效过滤亚微米颗粒物和具有呼吸监测能力的自供电空气过滤器。首先，在纤维素气凝胶上原位合成导电金属有机骨架（Ni-HITP）制备纤维素气凝胶/Ni-HITP（CA/Ni-HITP）复合材料。然后，将CA/Ni-HITP与PVDF膜构建了呼吸驱动的摩擦纳米发电机（R-TENG），进一步设计了自供电空气过滤器。基于传统的物理过滤机制和静电吸附机制，自供电空气过滤器去除PM_1.0、PM_0.5和PM_0.3的效率分别为98.4%、97.3%和95.0%，同时保持86 Pa较低的压降。所制备的自供电空气过滤器在过滤亚微米颗粒物的同时还可以根据频率和强度的不同实时监测佩戴者的呼吸状态。该自供电空气过滤器在人类健康、自供电设备和大气污染物去除等方面具有了更多的潜在应用。这项成果以题为“Air-permeable cellulosic triboelectric materials for self-powered healthcare products”发表在最新一期的《Nano Energy》上。

【本文亮点】

1.制备了导电CA/Ni-HITP复合材料作为过滤材料、摩擦电材料和电极材料。

2.自供电空气过滤器对PM_0.3、PM_0.5和PM_1.0的去除效率分别为95.0%、97.3%和98.4%。

3.这种自供电的空气过滤器在过滤亚微米颗粒物的同时还可以实时监测佩戴者的呼吸状态。

【图文导读】

图1.（a）自供电空气过滤器在用于呼吸监测和去除亚微米颗粒的应用场景。（b）基于CA/Ni-HITP复合材料的R-TENG结构示意图。右上和右下插图分别展示了PVDF膜的SEM图像和水接触角。（c）CA/Ni-HITP复合材料对亚微米颗粒物的捕获机制。

图2.（a）CA/Ni-HITP复合材料制备流程图。（b）CA/Ni-HITP复合材料的照片。（c）不同放大倍数下CA/Ni HITP复合材料的SEM图像。（d）CA、Ni-HITP和CA/Ni-HIPP复合材料的XRD图谱和（e）XPS图谱。（f）CA/Ni-HITP复合材料的Ni 2p和（g）N 1s光谱。（h） CA/Ni-HITP复合材料作为路径点亮LED的照片。（i）Ni-HITP和CA/Ni-HIPP复合材料的电导率。（j）CA、Ni-HITP和CA/Ni-HIPP复合材料的热重曲线。（k） CA和CA/Ni-HITP复合材料的表面电势分布。

图3.（a）R-TENG发电原理示意图。（b）在CA上原位生长Ni-HITP前、后构建TENG的短路电路和（c）转移电荷量。R-TENG在不同频率下的（d）开路电压（e）短路电流（f）转移电荷量随时间变化曲线。（g）R-TENG在不同负载电阻下的输出电压和电流。（h）R-TENG在不同负载电阻下的功率密度。

图4.（a）去除实验的测量压降和PM浓度的装置示意图。（b）过滤过程中普通商业口罩、CA、CA/Ni-HITP和自供电空气过滤器的压降。（c）普通商业口罩、CA、CA/Ni HITP、CA/Ni-HITP+PVDF和自供电空气过滤器在去除亚微米颗粒物时的去除效率和（d）品质因数。（e）佩戴2小时后口罩内外的亚微米颗粒物的数量。（f）基于自供电空气过滤器的过滤机制示意图。

图5.（a）在呼吸监测中，R-TENG的数据采集流程示意图。（b）R-TENG植入面罩后由呼吸驱动的照片。（c）不同呼吸状态时的实时电压信号。（d）进行无线监测时自供电空气过滤器的连接示意图。（e）测试者在呼吸时进行实时监测的照片。（f）不同呼吸条件下的实时无线监测曲线。

【结论】

综上所述，本文通过在CA上原位生长Ni-HITP制备导电CA/Ni-HITP复合材料，并与PVDF膜构建了R-TENG，设计了一种基于R-TENG的可穿戴自供电空气过滤器。同时，对自供电空气过滤器对亚微米颗粒物的过滤性能和过滤机理进行了分析。采用传统机械拦截和强化静电吸附相结合的方式，自供电空气过滤器对PM_1.0和PM_0.5的去除效率分别达到98.4%和97.3%，对PM_0.3的去除效率高达95.0%。同时，过滤器的多孔结构使其在过滤时具有86 Pa的低压降。此外，该自供电空气过滤器在过滤亚微米颗粒物的同时，还可以根据频率和强度的不同实时监测佩戴者的呼吸状态。因此，基于R-TENG的自供电空气过滤器在人类身体健康、自供电医疗产品和大气污染物去除等方面具有更多的潜在应用。

Qiu Fu, Yanhua Liu, Tao Liu, Jilong Mo, Wanglin Zhang, Song Zhang, Bin Luo, Jinlong Wang, Ying Qin, Shuangfei Wang, Shuangxi Nie^*. Air-permeable cellulosic triboelectric materials for self-powered healthcare products. Nano Energy. 2022.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107739

通讯作者介绍

聂双喜，广西大学教授，博士生导师，“国家技术发明奖”和“国家霍英东青年教师奖”获得者。长期致力于先进纤维素功能材料的开发及其构效关系的深入解析，系统研究了纤维素材料摩擦起电性能影响及关键控制要点，开发了系列高性能纤维素摩擦电材料。研究成果形成了完整的调控纤维素摩擦电性能的理论体系，对实现高性能纤维素基摩擦电材料的应用具有重大意义。系列研究成果在Nature Communications、Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy、Small等国际著名期刊上发表SCI论文140余篇，所发表的论文近五年被国际同行引用4000余次，累计入选ESI热点论文1篇、ESI高被引论文13篇。共获授权发明专利27件，其中5项技术已实现成果转化，转让到校总经费387万元。