王中林等【Nature Sustainability】：机械力驱动的摩擦电高效空气负离子发生器

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空气负离子被称为空气“维他命”，是一种电迁移率在1-2 cm2 V-1 S-1的小离子。就目前的科学研究表明，他们对空气中PM物质的净化，有害有机物的分解，以及细菌的抑制均具有重要的作用。除了自然界中在深林，瀑布和暴雨时产生的大量空气负离子，人们利用电弧放电，热电子发射，光激发等方式也可以制造出产生空气负离子的机器。在这些原理中，通过在细针尖电极施加高压的方式来离子化空气的空气负离子产生器已经大量的应用到我们的日常生活中。然而对于该类型的空气负离子发生器，需要电压倍增电路模块来产生高压，这在电路上相对复杂，整个体积较大，且在没有保护电路的情况下具有一定的安全问题。这很大程度上限制了高压型负离子发生器的应用多样性。近些年，人们开发出在压力作用下，利用铁电晶体材料释放的空气负离子产生器丰富了其应用场景。然而该类型空气负离子发生器在力的作用下产生的空气离子量非常低，且对于力的施加形式也有很大的限制。

图1.摩擦电空气负离子产生器的原型.a,器件结构.b,空气离子计数器测试.c,质谱测试.

图2.摩擦电空气负离子产生器的性能.a,独立摩擦层模式器件的离子产生量.b,接触分离模式器件的离子产生量.c,单周期内离子产生曲线.d,PM2.5净化曲线.e,f,空气PM2.5净化效果.

　　基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电技术，可以将环境中各种形式的机械运动转化为电能，且器件具有轻质，柔性，易于制作，材料选择性多样等特点。摩擦纳米发电机无需任何复杂转化电路，就可以产生超过10 KV的高压，且具有传统高压电源无可比拟的便携性和安全性，这将无疑大大简化空气负离子产生系统从而降低成本。在之前的工作中，利用摩擦纳米发电机的高压特性，科学家们成功实现了诸如纳库量级的电喷雾，电纺，电子场发射以及微等离子体的产生。因此结合摩擦纳米发电技术的这些特性和优势，采用其驱动空气负离子的产生将会丰富现有空气负离子发生器的一种简单可行的方案。
　　近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所、重庆大学以及台湾暨南大学首次提出了一种机械力驱动的摩擦电空气负离子发生器。科研人员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测试研究，并采用质谱检测和V-Q图对负离子的产生进行了实验和理论上的分析。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。对于一个手掌大小的摩擦纳米发电器件，在一个滑动周期中，实际测试产生了约2x1013个数量巨大的空气负离子。采用所述摩擦电空气负离子产生器，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的数值在80 s内快速降至0 ug m-3.该摩擦电空气负离子产生器将会对现有空气负离子发生器起到补充以及丰富其应用多样性的作用。相关成果以“A Highly Efficient Triboelectric Negative Air Ion Generator”为题发表在最新一期的Nature Sustainability上 (https://doi.org/10.1038/s41893-020-00628-9 )。


      文章来源：北京纳米能源与系统研究所
       王中林﹐1982毕业于西北电讯工程学院(现名西安电子科技大学)﹐并于同一年考取中美联合招收的物理研究生(CUSPEA)。1987 年获亚利桑那州立大学物理学博士, 从师于国际电子显微学权威 John Cowley 教授。王博士现是佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。他是中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家。