广西大学王双飞/聂双喜:摩擦纳米发电机增强纤维素纤维空气过滤器用于高效清除雾霾

随着近年来工业化与城市化的高速发展,空气污染和能源危机日益严重。大气中的污染物主要是由细颗粒物(PMx)和气态污染物组成的复杂混合物,长期呼吸污染空气会造成严重的健康问题,如心血管疾病、呼吸道疾病等。为了提高人们的生活质量,寻找低成本、绿色环保、可再生的空气清净方法去除污染空气中的PMx十分迫切和必要。2012年,王中林教授团队提出利用摩擦纳米发电机(TENG)将周围环境中的机械能转化为电能,由于TENG具有较高的开路电压,一般为数十伏至数百伏之间,不足以产生传统高压除尘中可能产生的臭氧产物,因此为TENG在清除空气中PMx领域的应用提供了可能性。

日前,广西大学王双飞、聂双喜团队发表了摩擦纳米发电机增强纤维素纤维空气过滤器用于高效清除雾霾的最新研究进展,论文第一作者为2019级硕士研究生莫济龙,硕士生张宸源卢彦序刘艳华张妮参与了课题研究。该论文设计了一种自驱动PMx清除系统,由径向活塞式TENG(RP-TENG)、单向气阀和纤维素纤维空气过滤器(CFAF)组成。RP-TENG的功能不仅可以产生电能输出,而且还可以利用活塞运动将被污染的空气抽送至CFAF中。该论文对RP-TENG系统地进行了结构优化并建立了运动数学模型,得到一个8单元的RP-TENG,具有结构紧凑、体积小、工作平稳的优点,开路电压可以达到170V。充电后,CFAF对PM2.5的清除效率为83.78%,PM10的清除效率为86.82%,分别是未充电的1.21倍和1.27倍。将该自驱动PMx清除系统安装在具有转动机械能的物体上,如共享单车的转轴处,在低碳绿色出行的同时将浪费的转动机械能充分用于净化室外环境,进一步助力环保。本文为自驱动摩擦纳米发电机增强空气过滤器在户外去除空气中的PMx应用领域提供了全新、可持续的策略,具有巨大的应用前景。该成果以题为“Radial-piston-shaped triboelectric nanogenerator enhanced cellulose fiber air filter for self-powered particulate matter removal”发表在最新一期《Nano Energy》上。

广西大学王双飞/聂双喜团队《Nano Energy》:摩擦纳米发电机增强纤维素纤维空气过滤器用于高效清除雾霾

图文解析

PMx清除系统如图1a所示,RP-TENG以一个空心圆柱体为整体结构中心,8个TENG单元均匀分布在同一水平面上,各个TENG单元之间径向相隔45°依次排列,使RP-TENG拥有较好工作稳定性。9通阀用于收集不同TENG单元中流动的气体并通往CFAF中进行过滤。黑色箭头显示了污染空气的流动方向,含有高浓度PMx的空气进入CFAF后首先经过第一层纤维素纤维过滤层将大部分带负电荷的PMx清除。然后再进过第二层的将少量带正电荷的PMx清除,以达到更高效率清除PMx的效果。图1b展示了TENG单元的结构,选择CNF膜和FEP膜分别作为正、负摩擦材料,Cu作为正负摩擦电极。图1c展示了TENG的工作原理。

广西大学王双飞/聂双喜团队《Nano Energy》:摩擦纳米发电机增强纤维素纤维空气过滤器用于高效清除雾霾

图1 PMx清除系统示意图图和工作原理: a)颗粒物吸附系统, b)TENG的一个单元,c)RP-TENG的工作原理

图2a所示是其检测的示意图。在转速为60 rpm的条件下,对该RP-TENG的各个单元的电学输出信号进行了测量。如图2b and 2c所示,各单元的短路电流和电荷量的峰值均比较稳定,平均短路电流峰值和电荷量峰值分别约为0.45 μA和45 μC。从侧面能反映出该结构的电性能输出优势,不仅只需要一个外界环境机械转动能输入就能带动8个发电单元稳定工作,而且各单元电信号输出稳定且峰值接近。将优化后RP-TENG的8个单元分别用整流桥进行整流,如图2d所示,并研究了整流后并联单元个数与器件电能输出的关系。图2e and 2f分别展示了RP-TENG在不同单元个数并联下的整流电流与累计电荷量。

广西大学王双飞/聂双喜团队《Nano Energy》:摩擦纳米发电机增强纤维素纤维空气过滤器用于高效清除雾霾

图2 8个单元的RP-TENG电气性能测试: a)RP-TENG整流前的示意图,b)每个RP-TENG单元在60 rpm时的短路电流,c)每个RP-TENG单元在60 rpm时的电荷量,d)整流后的RP-TENG示意图,e)在60 rpm时来不同单元个数的RP-TENG整流后并联的电流值,f)在60 rpm时RP-TENG不同数量的整流单元并联累计电荷量

为了证实该自驱动PMx清除系统可以作为有效转动能量采集器和气体输送器,在RP-TENG与CFAF集成之后,整个装置可以安装在具有转动机械能的物体上,如共享单车的转轴处(图3a),以解决PMx的污染问题,净化城市空气。图3b and3c展示CFAF的过滤工作机理。图3d展示了纤维素纤维过滤网吸附PMx后的元素组成比例,过滤后纤维素纤维过滤网表面的C、Si、Ca元素显著增加。过滤前的纤维素纤维过滤网保持着良好的微观纤维网络结构(图3e)。过滤后PMx粒子被吸附到了纤维的表面以及填充到纤维相互交错的网络结构中(图3f and 3g)。这表明纤维素纤维纸对PMx具有良好的吸附作用。图3h and3i展示了在60 rpm的转速下,RP-TENG与CFAF的电路断路和连接后对PM2.5和PM10的清除效率,充电后60分钟CFAF对PM2.5和PM10的吸附效率分别从68.75%和70.18%提高到了83.79%和86.82%。这表明该自驱动PMx清除系统具有超高的PMx清除效率,主要归因于径向活塞结构较高的空气输送效率和RP-TENG的高电性能输出,显示出该自驱动系统对清除室外空气中的PMx具有巨大的应用潜力。

广西大学王双飞/聂双喜团队《Nano Energy》:摩擦纳米发电机增强纤维素纤维空气过滤器用于高效清除雾霾

图3 自驱动PMx清除系统吸附机理及其吸附性能

图3 通过径向活塞TENG的自供电PM吸附系统:a)由自行车驱动的自驱动径向活塞TENG系统的示意图,b)不供电时CFAF过滤机制示意图,c)自驱动供电时CFAF过滤机制示意图,d)PMx吸附后纤维素纸的元素组成,e)观察PMx吸附之前纤维素纸的微观形态, e)观察PMx吸附后带正电的纤维素纸的微观形态,g)观察PMx吸附后带负电的纤维素纸的微观形态,h)在有和没有R-TENG的情况下,不同时间的PM2.5颗粒去除效率,i)在有和没有R-TENG的情况下,不同时间的PM10颗粒数去除效率,j)CFAF和CFAF+RP-TENG的PM2.5去除效果比较

小结

这篇文章展示了一种由RP-TENG与CFAF集成的自驱动PM清除系统,该系统可适用于户外高效清除空气中的PMx。通过8个发电单元的并联连接,新开发的RP-TENG 可以实现170 V的开路电压和3.4 mW/m2的高功率密度。可通过将自驱动PMx清除系统安装于共享单车转轴处,将转动机械能收集起来,然后立即利用静电吸附清除周围空气中的PMx。结合机理和实验结果,系统阐述了PMx清除系统的工作原理。PMx清除系统不仅可对浪费的机械能进行收集,而且在结构简单,成本低廉和高效率方面具有明显的优势。因此,这种自驱动的PMx清除系统在户外空气净化领域具有巨大的应用潜力,为未来户外PMx的清除技术发展提供了全新的方案。

全文链接:

Radial-piston-shaped triboelectric nanogenerator enhanced cellulose fiber air filter for self-powered particulate matter removal(Nano Energy., https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105357 )

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