空氣負離子(NAI)被稱為“空氣維生素,它們廣泛用于室內(nèi)空氣凈化,包括去除空氣中的顆粒物、對揮發(fā)性有機化合物進行氧化分解和抑菌。除了從森林、瀑布和暴雨等自然來源外,目前還開發(fā)了基于電暈放電、熱離子電子發(fā)射、光激發(fā)和勒納效應的納米空氣負離子發(fā)生器。盡管如此,使用升壓電路模塊通常為針狀電極,并為此產(chǎn)生高電壓,但該模塊存在許多缺點,例如電路復雜、尺寸笨重和危險,很大程度上限制了現(xiàn)有電暈NAI應用的多樣性發(fā)展。為尋求替代產(chǎn)品,水和熱釋電晶體之間的反應生成NAI或通過機械壓力從混合的熱釋電化合物中釋放NAIs。然而,這些方法產(chǎn)生的NAI濃度較低,無法滿足當今人們的需求。

研究成果

近日,中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林教授以及臺灣省暨南大學Vincent K. S. Hsiao教授課題組在摩擦電空氣負離子發(fā)生器(MSNG)方面取得重要進展。作者首先分別對獨立摩擦層模式和接觸分離模式的摩擦納米發(fā)電器件進行了系統(tǒng)地測試研究,并通過質(zhì)譜檢測對負離子的產(chǎn)生進行了實驗和產(chǎn)生機理上的分析。然后,利用摩擦納米發(fā)電機驅(qū)動碳纖維,摩擦納米發(fā)電器件中97 %的輸出電荷均可以有效的轉(zhuǎn)化為空氣負離子。在實驗中發(fā)現(xiàn),納米摩擦發(fā)電機在一個滑動周期中,實際測試產(chǎn)生了約2×1013個數(shù)量的空氣負離子。值得注意的是,在一個約5100 cm3的腔體內(nèi),0.25 Hz的滑動頻率下,PM 2.5可以從999 ug m-3在80 s內(nèi)快速降至0 ug?m-3。該工作以標題“A highly efficient triboelectric negative air ion generator” 發(fā)表于國際重要期刊Nature Sustainability上。文章的通訊作者為中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林教授以及臺灣省暨南大學Vincent K. S. Hsiao教授。

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【器件構造】

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圖1 摩擦電空氣負離子發(fā)生器的構造和工作原理。

電暈放電是一種廣泛用于研制人工NAI發(fā)生器的機制。作者開發(fā)了一種高電壓的便攜式碳纖維發(fā)生器。摩擦電空氣負離子發(fā)生器是一種結(jié)構簡單且高度集成的器件,主要由TENG元件、高壓整流電路模塊和碳纖維陣列電極組成。直徑為10μm的電極促進了空氣電離的局部高電場的形成。為了產(chǎn)生更高的輸出電壓,對TENG摩擦層的表面進行蝕刻以形成納米結(jié)構。在器件原型中,觸點分離式摩擦納米發(fā)電機(CS-TENG)將垂直機械運動(例如,振動、踩踏和敲擊)轉(zhuǎn)化為電能,以驅(qū)動碳電極尖端的NAI發(fā)電。此外,通過將CS-TENG替換為自由式摩擦納米發(fā)電機(FS-TENG)來轉(zhuǎn)換水平運動(例如,滑動和旋轉(zhuǎn)),MSNG還可以作為便攜式設備,通過從生物力學輸入、風和水流中收集能量來持續(xù)產(chǎn)生NAI。當合并的TENG器件運行時,NAI密度從0急劇上升到120×106個離子每立方厘米,這證明了我們基于TENG的NAI發(fā)生器的有效性。此外,生成的NAI物種通過質(zhì)譜進一步鑒定。通過質(zhì)譜成功地檢測到了與(H2O)n離子結(jié)合的O?、O2?、O3?、O3?、CO4?、NO2?、NO3?、OH和HCO3?與(H2O)n離子結(jié)合。

【定量化研究】

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圖2 摩擦電空氣負離子發(fā)生器的電離定量化研究。

由于商業(yè)化空氣離子計數(shù)器的采樣率太低,無法準確測量產(chǎn)生離子的總量,因此作者設計了一個用于定量監(jiān)測NAIs的測試平臺。碳纖維電極固定在兩側(cè)開口的玻璃室中,一側(cè)安裝風扇,另一側(cè)使用導電銀織物密封。在操作TENG裝置時,風機將產(chǎn)生的NAI推向致密導電的銀織物,該織物收集通過安培計或庫侖計的空氣中的大部分帶電離子。利用該測試平臺,記錄了不同直流負電壓下收集的離子產(chǎn)生的平均電流。觀察到類似二極管的整流曲線,當電壓超過?2000 V時,電流急劇增加,這表明碳纖維電極有效生成NAI。對于FS-TENG,由于其恒定電容,正向和反向運動步進的電壓輸出均達到11 kV。另一方面,由于CS-TENG中兩個電極的電容變化,每個分離電壓達到5000 V,每個接觸電壓僅為800 V。此外,對于FS-TENG和CS-TENG,每個工作步驟的短路電荷轉(zhuǎn)移量達到~1.7 μC和~0.35 μC。所有這些結(jié)果都清楚地表明,基于TENG的高壓電源完全可以滿足空氣電離的要求。

【工作原理】

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圖3 摩擦電空氣負離子發(fā)生器工作機理分析。

建立的電壓(V)與總轉(zhuǎn)移電荷(Q)的關系圖決定了TENG器件的工作狀態(tài),通常被用于分析和優(yōu)化TENG的工作過程。通過實驗已證實,TENGs不能超過其最大輸出周期工作。在此,作者設計了開關控制過程,以最大限度地使用FS-和CS-TENGs進行輸出。為了簡化起見,作者假設當電壓低于閾值電壓時不會發(fā)生電離現(xiàn)象,而在閾值電壓及以上形成大量離子。因此,產(chǎn)生的NAI相當于這一時期TENG的總電荷轉(zhuǎn)移。值得注意的是,在這種反向/接觸過程中,與TENG電極的電氣連接應顛倒,以確保碳電極上始終存在負電位。對于CS-TENG,在分離和接觸過程中分別測量和計算了250 nC(相當于1.5×1012個離子)和0 nC的NAI短路轉(zhuǎn)移電荷,其電子-離子轉(zhuǎn)換效率分別為70 %和0 %。上述結(jié)果和分析有效地證明了摩擦電空氣負離子發(fā)生器的高效性。

【空氣凈化效果】

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圖4 摩擦電空氣負離子發(fā)生器的空氣凈化性能。

機械開關和反向電路連接不適用于從自然機械能產(chǎn)生可持續(xù)的NAI。在這項研究中,高壓整流電路被整合到摩擦電空氣負離子發(fā)生器中,以確保碳纖維電極在每個工作循環(huán)中的負電位,同時驅(qū)動高能電子進行空氣電離。值得注意的是,電路的正極節(jié)點應始終接地,以提供連續(xù)的電子,而TENG的功能是向碳纖維電極區(qū)域輸送電子。在實際應用中,整流電路中各二極管元件的反向電壓限制了碳電極的最大電位,這可能會顯著影響NAI的生產(chǎn)率。最后,作者將煙霧注入系統(tǒng)后,PM 2.5水平急劇上升至過載水平(999 μg m?3),在靜止條件下的試驗期間保持恒定。相比之下,當FS-TENG以0.25 Hz的頻率運行時,pm2.5在80秒內(nèi)迅速下降到0 μg m?3。說明了摩擦電空氣負離子發(fā)生器的高效空氣凈化能力及其在大幅度提高工業(yè)可持續(xù)性和保護環(huán)境方面的潛在應用。

研究小結(jié)

綜上所述,作者展示了一種電暈型摩擦電空氣負離子發(fā)生器,它主要利用了TENG原理和碳纖維電極的高輸出電壓作用。利用空氣離子計數(shù)器和質(zhì)譜儀對摩擦電空氣負離子發(fā)生器產(chǎn)生的NAI進行了定量分析。為了證明摩擦電空氣負離子發(fā)生器去除PM2.5的能力,一個手掌大小的裝置在一次滑動運動中產(chǎn)生了1×1013個NAI,在一個約5100 cm3的腔體內(nèi),0.25 Hz的滑動頻率下,PM 2.5可以從999 ug m-3在80 s內(nèi)快速降至0 ug m-3。納米發(fā)電機的優(yōu)點,包括其便攜性、材料多樣性和低成本等優(yōu)勢。以上清楚地表明,該工作為推進可持續(xù)社會奠定了良好基礎。

全文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41893-020-00628-9

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