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。
【器件構造】
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】
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】
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】
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。
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