福州大学赖跃坤教授、黄剑莹教授和蔡伟龙研究员：多尺度纳米纤维滤膜TENG技术，实现高效PM0.3过滤和自驱动呼吸监测

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2025年05月26日 14:26

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1.背景：PM0.3过滤的挑战与机遇

空气污染，尤其是PM0.3级别的超细颗粒物，对人体健康构成了严重威胁。然而，传统高效滤材往往存在过滤效率与呼吸阻力的权衡矛盾，难以实现高效、低耗与可持续的兼顾。同时，疫情后大众对智能呼吸监测与个体化健康防护需求日益增长，亟需新型多功能滤材技术的支撑。

2.创新点：多尺度纳米纤维滤膜 + TENG

本研究开发的多尺度纳米纤维滤膜，通过优化纤维尺寸与孔隙结构设计，在实现低呼吸阻力的基础上，提供了良好的基础过滤能力。进一步地，团队将滤膜与摩擦纳米发电机（TENG）结合，利用TENG在气流作用下产生的电场效应，增强颗粒物的捕集效率，从而实现对PM0.3颗粒的高效过滤。这种结构优化+电场增强的协同策略，打破了传统滤材在过滤效率与呼吸阻力之间的矛盾。同时，TENG的能量输出还支持实时呼吸监测，实现了无外部电源的自供能功能。

3.研究亮点

1) 协同增强，实现PM0.3高效过滤

通过TENG电场效应，显著提升超细颗粒（PM0.3）的捕集效率，过滤率高达99.37%

2) 多尺度纳米纤维滤膜赋予低呼吸阻力

优化的多尺度纤维结构，在保证过滤性能的同时，有效降低呼吸阻力，提升佩戴舒适性。

3) 呼吸驱动，无源自供能监测

借助呼吸气流驱动TENG产生电信号，无需外接电源，实现自供能呼吸频率与强度监测。

4) 柔性结构，适用于多种防护场景

滤膜具有良好的柔性与可加工性，适合集成于智能口罩、空气净化器等个体防护与健康监测设备。

5) PA66与PVDF-HFP材料的应用

本工作选用PA66与PVDF-HFP作为主要材料，两者在滤材与电子器件领域广泛应用，具备良好的成膜性与功能可调性，为器件性能提供基础支撑。

4.全文概述

本工作通过电纺工艺制备了PA66与HACC复合材料的多尺度纳米纤维滤膜，与PVDF-HFP纳米纤维膜协同构建了呼吸驱动的TENG装置。该系统结合静电吸附与物理拦截机制，实现了对PM0.3颗粒物超过99%的高效过滤，且呼吸阻力仅为48 Pa，兼顾了过滤性能与舒适性。同时，TENG可在呼吸气流作用下实现自供能发电，支持实时呼吸监测，具备优异的环境适应性与长期稳定性。该集成系统在空气净化、智能防护与健康监测等领域展现了广阔的应用前景，为多功能空气过滤技术的发展提供了新思路。

5.图文解读

图1. 多尺度纳米纤维膜的形成与结构

如图1所示，研究人员利用静电纺丝技术成功制备出超细纳米纤维膜，通过调控聚合物溶液的物化性质，显著优化了纤维性能。在PA66溶液中添加阳离子聚电解质HACC后，溶液电导率提升近30倍，粘度增加，使纤维直径降至72.34 nm，并形成多尺度结构，大幅减小薄膜孔径（最低1.20 μm），从而提升空气过滤效率。同时，该纤维膜具有优异的疏水性（水接触角>134°），可有效防止水蒸气影响静电过滤性能。最优化的8 wt% HACC掺杂样本展现出优异的纺丝稳定性和过滤效能，为高效空气过滤器在医疗、工业等领域的应用提供了新思路。

图2. TENG工作机理以及纤维膜的电性能

研究团队创新性地开发出基于PA66/H多尺度纤维膜的自供电摩擦纳米发电机（TENG），通过将PA66/H（正极）与PVDF-HFP（负极）纤维膜集成至呼吸面罩，利用呼吸气流驱动摩擦层周期性接触-分离，成功将人体呼吸能量转化为电信号（最高表面电位6.14 kV）。该技术通过精确调控8 wt% HACC掺杂浓度，使纤维膜兼具超细孔径（1.20 μm）过滤功能与优异的摩擦电性能（单根纤维电场强度提升显著），同时多孔结构保障了低气流阻力。

图3. 自供电滤膜的过滤机理以及过滤性能

如图3所示，自供电PVDF-HFP@PA66/H过滤器通过物理拦截和静电吸附协同作用，实现了PM0.3过滤效率高达99.37%的突破性表现。该技术利用纤维膜与PVDF-HFP层摩擦发电产生的静电吸附效应，使8wt%HACC掺杂的PA66/H纤维膜在保持48Pa低气流阻力下，品质因子(QF)达到0.103Pa⁻¹的优异水平。值得注意的是，该过滤器在90%湿度环境下仍能维持98%以上的过滤效率，展现出卓越的环境稳定性。这种结合机械拦截和静电吸附的双效过滤机制，为开发高性能、低能耗的空气净化设备提供了创新解决方案。

图4. 自供电滤膜的综合空气过滤性能及比较。

作者还探究了自供电滤膜的综合空气过滤性能，在10-85 L min^-1的气流速率范围内，自供电PVDF-HFP@PA66/H过滤器对PM0.3颗粒的过滤效率始终保持在99%以上。特别值得一提的是，该过滤器具有"自充电"特性，使用30分钟后只需简单摩擦即可恢复6kV的高表面电位，确保长效稳定的过滤性能。经测试，在多次充放电循环后，其过滤效率仍能达到较高水平，展现出卓越的耐用性。与现有技术相比，该过滤器在过滤效率和能耗平衡方面具有明显优势，为医疗防护、工业净化等领域提供了创新解决方案。

图5. 自供电滤膜的应用

同时，基于摩擦纳米发电技术的PVDF-HFP@PA66/H过滤器能够通过电压信号变化精准识别正常呼吸、快速呼吸和深呼吸三种模式，准确反映使用者的生理状态。创新性地集成了蓝牙传输功能，可将呼吸数据实时传输至手机APP，方便用户监测。同时，该系统可利用呼吸能量自供电，甚至能点亮44个LED灯组。这项技术突破为可穿戴健康监测设备提供了新的解决方案，在呼吸训练、压力管理和运动监测等领域具有广泛应用前景。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.gee.2025.05.001

人物简介

赖跃坤，福州大学化工学院福建省"闽江特聘"教授/博导。国家万人计划领军人才，2018-2023全球高被引科学家&2024中国高被引学者，Chemical Engineering Journal副主编。长期从事功能膜层表界面特殊浸润性研究，及其在多相分离与纯化净化、医用植入材料和柔性传感器件等方面应用研究。主持国家科技部重点研发项目课题、国家自然科学基金和省部级课题8项，以通讯或第一作者发表在Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Matter、Adv. Funct. Mater.、Environ. Sci. Technol.、Chem. Eng. J.等专业期刊上发表论文200余篇，20余篇封面论文，ESI热点论文和ESI高被引论文32篇，SCI他引26000余次，H-index为89；申报PCT专利10件、中国发明专利40余件，已授权30余件；荣获侯德榜化工科学技术奖、产学研合作创新奖、教育部高等学校自然科学二等奖、福建省自然科学论文一等奖，福建省自然科学二等奖，中国材料研究学会自然科学奖二等奖，福建省“杰出青年”基金和“百人计划”项目，以及Chem Commun期刊Pioneering Investigators, I&ECR Influential Reserchers, JMCA Emerging Investigators和德国"洪堡学者"等。

黄剑萤，福州大学教授，博士生导师。入选2019-2022年全球高被引科学家榜单、福建省高层次创新创业人才（B类）、泉州市高层次创新创业人才（第二层次）等。致力于功能性纺织纤维材料、油水分离材料、浸润性仿生材料及其多相过滤分离应用研究，主持参与科研项目10余项。在Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small、Chem Eng J、J Mater Chem A等期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文20余篇，论文SCI引用17000余次。

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”科技创新领军人才和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研究。以第一起草人制定纺织行业、电力行业、环保机械行业标准15项，研究成果获中国专利优秀奖、国家生态环境部环境保护科技进步二等奖等。

论文信息

Mengtong Yi,# Nan Lu,# Yukui Gou, Pinmei Yan, Hong Liu, Xiaoqing Gao, Jianying Huang*, Weilong Cai*, Yuekun Lai*, Multi-scale Nanofiber Filter-based TENG for Sustainable Enhanced PM0.3 Filtration and Self-powered Respiratory Monitoring, Green Energy & Environment, 2025, https://doi.org/10.1007/s42765-025-00551-8https://doi.org/10.1016/j.gee.2025.05.001

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