中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林

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内置摩擦纳米发电机的光催化降解气相VOCs过滤器

由易挥发性有机污染物（VOCs）引起的室内空气污染已经严重影响人们的身体健康，使哮喘与慢性支气管炎病患加重。高浓度的VOCs（＞ 3 mg/m3）能够使人产生不适的感觉，甚至中毒。研究人员研发出多种技术来净化室内的污染气体，例如高效粒子空气过滤器（HEPA）、聚合物纳米纤维过滤器、活性炭吸附剂。尽管以上技术能够一定程度上除去VOCs，但是仍然存在一定的缺点。另一种较为常用的过滤技术是基于强静电场的静电吸附技术，该方法能够高效地捕集悬浮颗粒物，但强电场会增加电能消耗，极强的电场还会电离氧气产生臭氧，引起室内二次污染。

自摩擦纳米发电机（TENGs）发明以来，该技术就应用于各种微纳系统的能量捕集器件。通过捕集生活环境或者自然环境中的多种机械震动，TENGs将其转化为电能，可直接应用于电池充电、点亮LED或者直接驱动机电器件。而基于摩擦运动诱导可产生具有极强吸附能力的静电场，TENGs也可以用作过滤器来过滤空气中的颗粒物。和传统的静电吸附技术相比，基于TENGs的过滤技术具有更高效、无电能消耗和无臭氧产生等优点。另一方面，光催化是一种绿色环保解决环境问题的新技术。光激发所产生的具有强氧化还原性的电子-空穴对在催化剂颗粒表面发生自由基反应，可以实现液相或气相有机污染物的高效分解矿化。由于编织TENGs所用的材料是多变的，可以很容易实现将光催化技术与TENGs器件整合在一起，使TENGs具有光催化性能。因此，TENGs技术和光催化技术的结合能够发展成为一种新的能够高效降解室内VOCs自驱动的过滤方法。

上海师范大学的李和兴课题组与中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林课题组合作，将表面镶嵌Pt/P25的聚合物包裹的不锈钢丝编织成过滤网络结构，通过一种有效接触面积为60 cm2的单电极摩擦纳米发电机（SE-TENG），在作为终端的过滤网络上诱导出电压强度为1100 V的静电场。SE-TENG在过滤器件上所产生的强电场能高效捕获空气中的微粒物。作者利用罗丹明B雾化气流作为演示，在SE-TENG的驱动下，1 min内器件局域位置的吸附量与没有SE-TENG驱动时15 min内的吸附量相当，证明该器件具有增强的自驱动吸附作用。同时，SE-TENG在器件上所诱导的静电场可显著提升过滤器件光催化降解污染物的能力，实现了在单个过滤器件上同时增强自驱动吸附和TENG增强光催化的双重效应。最后，该网格过滤器应用于室内甲醛气体的降解时，在SE-TENG的驱动下，光催化降解甲醛的效率在相同的时间内提升了一倍。这项工作将自驱动电化学拓展至光催化领域，开辟了室内净化污染物的新方法。

这一成果近期发表在ACS Nano上，文章的第一作者是上海师范大学的硕士研究生冯亚伟，由陈翔宇青年研究员、卞振锋教授、李和兴教授和王中林院士共同指导完成。

该论文作者为：Yawei Feng, Lili Ling, Jinhui Nie, Kai Han, Xiangyu Chen, Zhenfeng Bian, Hexing Li, Zhong Lin Wang

Self-Powered Electrostatic Filter with Enhanced Photocatalytic Degradation of Formaldehyde Based on Built-in Triboelectric Nanogenerators

ACS Nano, 2017, 11, 12411, DOI: 10.1021/acsnano.7b06451