王中林院士团队黑科技:80秒,将PM 2.5降至0!把森林氧吧搬回家!

空气负离子(NAI)被称为“空气维生素,它们广泛用于室内空气净化,包括去除空气中的颗粒物、对挥发性有机化合物进行氧化分解和抑菌。除了从森林、瀑布和暴雨等自然来源外,目前还开发了基于电晕放电热离子电子发射光激发和勒纳效应的纳米空气负离子发生器。尽管如此,使用升压电路模块通常为针状电极,并为此产生高电压,但该模块存在许多缺点,例如电路复杂、尺寸笨重和危险,很大程度上限制了现有电晕NAI应用的多样性发展。为寻求替代产品,水和热释电晶体之间的反应生成NAI或通过机械压力从混合的热释电化合物中释放NAIs。然而,这些方法产生的NAI浓度较低,无法满足当今人们的需求。

研究成果

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授以及台湾省暨南大学Vincent K. S. Hsiao教授课题组在摩擦电空气负离子发生器(MSNG)方面取得重要进展。作者首先分别对独立摩擦层模式和接触分离模式的摩擦纳米发电器件进行了系统地测试研究,并通过质谱检测对负离子的产生进行了实验和产生机理上的分析。然后,利用摩擦纳米发电机驱动碳纤维,摩擦纳米发电器件中97 %的输出电荷均可以有效的转化为空气负离子。在实验中发现,纳米摩擦发电机在一个滑动周期中,实际测试产生了约2×1013个数量的空气负离子。值得注意的是,在一个约5100 cm3的腔体内,0.25 Hz的滑动频率下,PM 2.5可以从999 ug m-3在80 s内快速降至0 ug m-3该工作以标题“A highly efficient triboelectric negative air ion generator” 发表于国际重要期刊Nature Sustainability上。文章的通讯作者为中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授以及台湾省暨南大学Vincent K. S. Hsiao教授。

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【器件构造】

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图1 摩擦电空气负离子发生器的构造和工作原理。

电晕放电是一种广泛用于研制人工NAI发生器的机制。作者开发了一种高电压的便携式碳纤维发生器。摩擦电空气负离子发生器是一种结构简单且高度集成的器件,主要由TENG元件、高压整流电路模块和碳纤维阵列电极组成。直径为10μm的电极促进了空气电离的局部高电场的形成。为了产生更高的输出电压,对TENG摩擦层的表面进行蚀刻以形成纳米结构。在器件原型中,触点分离式摩擦纳米发电机(CS-TENG)将垂直机械运动(例如,振动、踩踏和敲击)转化为电能,以驱动碳电极尖端的NAI发电。此外,通过将CS-TENG替换为自由式摩擦纳米发电机(FS-TENG)来转换水平运动(例如,滑动和旋转),MSNG还可以作为便携式设备,通过从生物力学输入、风和水流中收集能量来持续产生NAI。当合并的TENG器件运行时,NAI密度从0急剧上升到120×106个离子每立方厘米,这证明了我们基于TENG的NAI发生器的有效性。此外,生成的NAI物种通过质谱进一步鉴定。通过质谱成功地检测到了与(H2O)n离子结合的O、O2、O3、O3、CO4、NO2、NO3、OH和HCO3与(H2O)n离子结合。

【定量化研究】

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图2 摩擦电空气负离子发生器的电离定量化研究。

由于商业化空气离子计数器的采样率太低,无法准确测量产生离子的总量,因此作者设计了一个用于定量监测NAIs的测试平台。碳纤维电极固定在两侧开口的玻璃室中,一侧安装风扇,另一侧使用导电银织物密封。在操作TENG装置时,风机将产生的NAI推向致密导电的银织物,该织物收集通过安培计或库仑计的空气中的大部分带电离子。利用该测试平台,记录了不同直流负电压下收集的离子产生的平均电流。观察到类似二极管的整流曲线,当电压超过−2000 V时,电流急剧增加,这表明碳纤维电极有效生成NAI。对于FS-TENG,由于其恒定电容,正向和反向运动步进的电压输出均达到11 kV。另一方面,由于CS-TENG中两个电极的电容变化,每个分离电压达到5000 V,每个接触电压仅为800 V。此外,对于FS-TENG和CS-TENG,每个工作步骤的短路电荷转移量达到~1.7 μC和~0.35 μC。所有这些结果都清楚地表明,基于TENG的高压电源完全可以满足空气电离的要求。

【工作原理】

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图3 摩擦电空气负离子发生器工作机理分析。

建立的电压(V)与总转移电荷(Q)的关系图决定了TENG器件的工作状态,通常被用于分析和优化TENG的工作过程。通过实验已证实,TENGs不能超过其最大输出周期工作。在此,作者设计了开关控制过程,以最大限度地使用FS-和CS-TENGs进行输出。为了简化起见,作者假设当电压低于阈值电压时不会发生电离现象,而在阈值电压及以上形成大量离子。因此,产生的NAI相当于这一时期TENG的总电荷转移。值得注意的是,在这种反向/接触过程中,与TENG电极的电气连接应颠倒,以确保碳电极上始终存在负电位。对于CS-TENG,在分离和接触过程中分别测量和计算了250 nC(相当于1.5×1012个离子)和0 nC的NAI短路转移电荷,其电子-离子转换效率分别为70 %和0 %。上述结果和分析有效地证明了摩擦电空气负离子发生器的高效性。

【空气净化效果】

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图4 摩擦电空气负离子发生器的空气净化性能。

机械开关和反向电路连接不适用于从自然机械能产生可持续的NAI。在这项研究中,高压整流电路被整合到摩擦电空气负离子发生器中,以确保碳纤维电极在每个工作循环中的负电位,同时驱动高能电子进行空气电离。值得注意的是,电路的正极节点应始终接地,以提供连续的电子,而TENG的功能是向碳纤维电极区域输送电子。在实际应用中,整流电路中各二极管元件的反向电压限制了碳电极的最大电位,这可能会显著影响NAI的生产率。最后,作者将烟雾注入系统后,PM 2.5水平急剧上升至过载水平(999 μg m−3),在静止条件下的试验期间保持恒定。相比之下,当FS-TENG以0.25 Hz的频率运行时,pm2.5在80秒内迅速下降到0 μg m−3。说明了摩擦电空气负离子发生器的高效空气净化能力及其在大幅度提高工业可持续性和保护环境方面的潜在应用。

研究小结

综上所述,作者展示了一种电晕型摩擦电空气负离子发生器,它主要利用了TENG原理和碳纤维电极的高输出电压作用。利用空气离子计数器和质谱仪对摩擦电空气负离子发生器产生的NAI进行了定量分析。为了证明摩擦电空气负离子发生器去除PM2.5的能力,一个手掌大小的装置在一次滑动运动中产生了1×1013个NAI,在一个约5100 cm3的腔体内,0.25 Hz的滑动频率下,PM 2.5可以从999 ug m-3在80 s内快速降至0 ug m-3。纳米发电机的优点,包括其便携性、材料多样性和低成本等优势。以上清楚地表明,该工作为推进可持续社会奠定了良好基础。

全文链接:

https://www.nature.com/articles/s41893-020-00628-9

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