Adv Fiber Mater发表福州大学赖跃坤/蔡伟龙、东华大学孟哲一、伦敦大学学院李淑荟成果—自供电过滤面罩：高效率、高稳定

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工业高速发展带来全球范围的空气污染，并导致了大流行的病毒和病菌，开发高过滤性能的空气过滤材料是保护人体健康的重要举措。通过附加表面电荷，在不影响透气性的情况下利用静电捕获过滤微小颗粒物成为当前研究的主流。但是，通过驻极来增加表面电荷的方法会因驻极电荷的衰减导致过滤效率不稳定，限制了材料的应用；此外，驻极颗粒往往容易脱落而被人体吸收，危害人类的健康。因此，探索其他方式来增强纤维材料的表面电荷以获得高过滤效率、低过滤阻力的空气过滤材料成为这一领域的研究热点。

近期，福州大学赖跃坤教授、蔡伟龙教授团队联合东华大学孟哲一副教授和伦敦大学学院李淑荟博士在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Electrospun Nanocomposite Fibrous Membranes for Sustainable Face Mask Based on Triboelectric Nanogenerator with High Air Filtration Efficiency”的研究成果，提出了一种由PAN/PS电纺纤维膜与PBS电纺纤维膜组成的自供电空气过滤材料，具有高过滤效率、低压降的优异性能。同时，该材料可以通过人体呼吸驱动纤维膜之间进行贴合分离，以此持续产生电荷，在不影响材料透气性的情况下保证过滤效率长期稳定。

如图1（a）所示，自供电过滤面罩由一个可佩带框架与拱形摩擦纳米发电机构成，通过呼吸驱动拱形PAN/PS纤维膜与PBS纤维膜循环接触分离产生感应电荷。该自供电结构具有8 V以上的开路电压，相比于近年来的一些空气过滤材料具有更高的过滤效率和更低的压降（图1b-c）。

图1 自供电过滤装置示意图、性能对比以及开路电压

有趣的是，利用静电纺丝得到的PAN纤维（直径为0.2-0.4 μm）与PS纤维（直径为 3-4 μm）直径差异明显（图2a-b, d-e）。因此，本工作以双针头混纺的工艺制备的PS纤维作为支撑骨架、以PAN纤维作为物理拦截制备了混纺纤维膜，很好地综合了两种纤维的优点（图2c）。通过精准控制PAN与PS的前驱体溶液体积比，制备了PAN/PS2-1、PAN/PS1-1、PAN/PS1-2三种纤维膜，且随着前驱体溶液体积的变化所制备的纤维膜的疏水性能逐渐提升（图2g-i），可以有效地解决过滤过程中因水蒸气渗入引起的过滤效率低下问题。

图2 PAN、PS、PAN/PS电纺纤维膜的SEM照片以及不同供液比例混纺纤维膜的疏水性能

过滤装置示意图如图3（a）所示，对比分析了PAN、PS、PAN/PS纤维膜以及不同供液比例混纺纤维的过滤效率及压降品质因数。通过对比实验发现，混纺纤维膜比单一PAN或PS纤维膜具有更优的过滤性能；在颗粒物浓度为23,000 μg/m³的恶劣环境下，PAN/PS1-1纤维膜显示出更好的过滤效果，品质因数最高；在高湿度下，该纤维膜对PM_0.3可达到80%以上的过滤效率，性能优异（图3b-g）。同时，PAN/PS1-1纤维膜还具有更强、更广范围的电场强度，更有利于静电捕获细小颗粒物（图3h-j）。

图3 PAN、PS以及不同供液比例的PAN/PS共纺纤维膜的过滤效率、品质因数及单纤维电场强度

以PAN/PS共纺纤维膜与PBS纤维膜作为摩擦层制备了自供电结构，通过不断贴合分离，两极之间可以产生正负交替8 V左右的开路电压，显示出良好的自供电性能（图4a-b）。随着接触分离次数的增多，表面电位先增大后趋于平缓（图4c-f）。由于不同材料表面电荷消散速率不同，PAN/PS纤维膜与PBS纤维膜呈现出电性相反、大小不同的表面电位与电场强度（图4g）。

图4 自供电结构开路电压及两极的表面电位与单纤维电场强度

以PAN/PS-PBS自供电结构为基础的空气过滤面罩，对颗粒物具有物理拦截和静电吸附双重过滤效果，压降小、效率高。在颗粒物浓度为23,000 μg/m³的恶劣环境下，该过滤面罩对PM_0.3的过滤性能可以达到98%以上且随时间下降缓慢；而常用于口罩中间层的PP熔喷布，在相同条件下的过滤效率只有80%，且过滤60 min后低至40%以下。

图5 自供电过滤面罩的过滤性能

本工作展示了一种由PS微米纤维和PAN纳米纤维组成的复合毡，实现了过滤性能和渗透性的良好平衡，再将低电负性的PBS纤维膜与PAN/PS复合毡制成自供电空气过滤面罩。通过纤维膜的接触分离和电子定向移动，使纤维膜表面产生感应电荷，可在低压降下实现更高的空气过滤效率。这项工作通过摩擦发电实现了对空气中颗粒物的长期高效过滤，解决了高过滤性能材料透气性差的问题，在空气过滤领域具有广阔的应用前景。

李淑荟，苏州大学纺织服装工程学院博士，福州大学化工学院博士后，中国科学院大学（温州研究院）博士后。研究领域包括具有特殊润湿性的仿生表面界面，用于废水处理的能源和环境材料，大气水收集、空气过滤以及水凝胶传感器。

孟哲一，东华大学材料科学与工程学院副研究员，北京航空航天大学材料物理与化学博士，伦敦大学学院化学工程系博士后。研究方向包括以阳极氧化铝膜、核孔膜、电纺纤维膜等多孔膜材料为基础，开发仿生膜材料体系。

蔡伟龙，福州大学/清源创新实验室，研究员，博士生导师，国家“万人计划”科技创新领军人才，福建省科技创新领军人才。长期从事烟气分离与空气净化、功能滤料开发等方面的研究工作，累计申请专利 120 项，授权美国发明专利 1 项、国内发明专利 25项；以第一起草人制定环保机械、 电力、纺织行业标准 19 项，研究成果获中国专利优秀奖、福建省科技进步一等奖、香港桑麻基金会纺织科技一等奖等。

赖跃坤，福州大学教授，博士生导师，2018-2022连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”，福建省“闽江学者”特聘教授，“杰出青年”基金、“百人计划”项目获得者。长期从事多相分离与过滤纯化、环境与能源化工催化、仿生表界面特殊浸润性膜层开发等方面的研究工作；在国内外知名期刊上合作发表SCI论文200多篇, 引用17000余次，H指数76；申报发明专利50余项，包括10项PCT国际专利，已授权中国发明专利20余项。

Yue Yang, Yuchen Yang, Jianying Huang, Shuhui Li*, Zheyi Meng*, Weilong Cai*, Yuekun Lai*. Electrospun Nanocomposite Fibrous Membranes for Sustainable Face Mask Based on Triboelectric Nanogenerator with High Air Filtration Efficiency. Adv. Fiber Mater., 2023.

https://doi.org/10.1007/s42765-023-00299-z

Advanced Fiber Materials是一本由同行评议、国际性、跨学科的学术期刊，由东华大学材料科学与工程学院和纤维材料改性国家重点实验室发起，东华大学和中国材料研究学会共同主办，Springer Nature出版发行。期刊旨在发表纤维材料基础研究和交叉学科应用的高水平成果，发表论文类型包括原创研究、综述文章、前瞻性快报、观点、新闻和亮点。中国科学院院士、纤维材料改性国家重点实验室主任、东华大学材料科学与工程学院院长朱美芳教授担任期刊主编，期刊编委团队由19位国内外院士和32位全球顶尖科学家和各领域的优秀学者专家组成。期刊自2019年正式创刊以来，已经出版25期，共发表290余篇文章，得到了来自编委团队、专家学者、作者以及读者的大力支持。

Advanced Fiber Materials于2021年9月入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，目前已被Science Citation Index Expanded (SCIE)、Scopus、Engineering Village(EI)等多个数据库收录；2022年6月获科睿唯安(Clarivate)发布的首个影响因子12.958！在JCR材料学科(Materials Science, Multidisciplinary)中排名前10%，处于该领域Q1分区；12月，首次获得中科院分区，并被认定为材料类一区Top期刊。至此，期刊发展进入了新的征程。

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