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聶雙喜教授團(tuán)隊《Nano Energy》：纖維素摩擦電材料用于自供電醫(yī)療產(chǎn)品

2022-08-27 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：纖維素氣凝膠摩擦電納米發(fā)生器自供電空氣過濾器呼吸監(jiān)測

近年來，顆粒物（PMs）造成的空氣污染問題日益嚴(yán)峻，用于防止病毒傳播和保護(hù)人類健康的保健產(chǎn)品，特別是可穿戴智能口罩的需求不斷增加。因此，設(shè)計一種可佩戴的智能口罩非常重要，它可以在過濾固體顆粒物的同時監(jiān)測佩戴者的呼吸狀態(tài)。然而，復(fù)雜笨重的設(shè)備難以隨身攜帶和實時監(jiān)測，用戶體驗不舒適、需要外加電源等因素限制了其在家庭和個人醫(yī)療中的廣泛應(yīng)用。同時，PMs容易進(jìn)入呼吸系統(tǒng)，特別是亞微米顆粒物（直徑小于1.0 μm）對公眾的危害極大。因此，迫切需要開發(fā)一種更簡單、更便攜的自供電醫(yī)療產(chǎn)品，同時具備呼吸監(jiān)測和顆粒物過濾功能來監(jiān)測和保護(hù)人們的身體健康。

近日，聶雙喜教授團(tuán)隊設(shè)計了一種透氣、高效過濾亞微米顆粒物和具有呼吸監(jiān)測能力的自供電空氣過濾器。首先，在纖維素氣凝膠上原位合成導(dǎo)電金屬有機(jī)骨架（Ni-HITP）制備纖維素氣凝膠/Ni-HITP（CA/Ni-HITP）復(fù)合材料。然后，將CA/Ni-HITP與PVDF膜構(gòu)建了呼吸驅(qū)動摩擦電納米發(fā)電機(jī)（R-TENG），進(jìn)一步設(shè)計了自供電空氣過濾器�；趥鹘y(tǒng)的物理過濾機(jī)制和靜電吸附機(jī)制，自供電空氣過濾器去除PM_1.0、PM_0.5和PM_0.3的效率分別為98.4%、97.3%和95.0%，同時保持86 Pa較低的壓降。所制備的自供電空氣過濾器在過濾亞微米顆粒物的同時還可以根據(jù)頻率和強(qiáng)度的不同實時監(jiān)測佩戴者的呼吸狀態(tài)。該自供電空氣過濾器在人類健康、自供電醫(yī)療產(chǎn)品和大氣污染物去除等方面提供了更多潛在應(yīng)用。該研究成果以題為“Air-permeable cellulosic triboelectric materials for self-powered healthcare products”在《Nano Energy》上發(fā)表，第一作者為廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院碩士生付秋，聶雙喜教授為本論文的通訊作者。

圖1. 自供電空氣過濾器的應(yīng)用場景和結(jié)構(gòu)設(shè)計

大多數(shù)植物如木材、竹子和棉花含有三種主要成分，纖維素、木質(zhì)素和半纖維素，其中，纖維素易于溶解，可用于CA的制備。因此，采用溶解、交聯(lián)、再生的方法得到纖維素水凝膠，再通過簡單的冷凍干燥技術(shù)得到三維CA骨架。隨后在CA上原位合成了Ni-HITP，得到了具有良好導(dǎo)電性的CA/Ni-HITP復(fù)合材料。分別采用元素分析、X射線衍射儀、X射線光電子能譜儀和原子力顯微鏡等對CA/Ni-HITP復(fù)合材料的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行探究。

圖2. CA/Ni-HITP復(fù)合材料的制備與表征

所制備的自供電空氣過濾器在去除亞微米顆粒物時具有較好的效果。與CA、CA/Ni-HITP、CA/Ni-HITP+PVDF和普通商用口罩相比，自供電空氣過濾器對亞微米顆粒物(PM_0.3、PM_0.5、PM_1.0)的去除效率最高，對PM_1.0、PM_0.5和PM_0.3的去除效率分別為98.4%、97.3%和95.0%。此外，還進(jìn)一步探討了自供電空氣過濾器在呼吸監(jiān)測中的應(yīng)用前景。自供電空氣過濾器與數(shù)字萬用表連接后并通過無線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)端，可以在手機(jī)上檢測到實時的信號。因此該自供電空氣過濾器能夠通過一些呼吸指標(biāo)監(jiān)測佩戴者的呼吸狀態(tài)。

圖3. 自供電空氣過濾器去除亞微米顆粒物時的效率

圖4. 自供電空氣過濾器在實時呼吸監(jiān)測中的應(yīng)用

總結(jié)：綜上所述，本研究通過在CA上原位生長Ni-HITP制備導(dǎo)電CA/Ni-HITP復(fù)合材料，并與PVDF膜構(gòu)建了R-TENG，設(shè)計了一種基于R-TENG的可穿戴自供電空氣過濾器。同時，對自供電空氣過濾器對亞微米顆粒物的過濾性能和過濾機(jī)理進(jìn)行了分析。采用傳統(tǒng)機(jī)械攔截和強(qiáng)化靜電吸附相結(jié)合的方式，自供電空氣過濾器對PM_1.0和PM_0.5的去除效率分別達(dá)到98.4%和97.3%，對PM_0.3的去除效率高達(dá)95.0%。同時，過濾器的多孔結(jié)構(gòu)使其在過濾時具有86 Pa的低壓降。此外，該自供電空氣過濾器在過濾亞微米顆粒物的同時，還可以根據(jù)頻率和強(qiáng)度的不同實時監(jiān)測佩戴者的呼吸狀態(tài)。因此，基于R-TENG的自供電空氣過濾器在人類身體健康、自供電醫(yī)療產(chǎn)品和大氣污染物去除等方面具有更多潛在的應(yīng)用。

原文鏈接 https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107739

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（責(zé)任編輯：xu）

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