由于新冠肺炎等冠状病毒疾病的爆发以及颗粒物（PMs）造成的空气污染问题，用于防止病毒传播和保护人类健康的保健产品，特别是可穿戴智能口罩的需求不断增加。然而，可穿戴电子产品的电源供应、透气性、过滤性能等方面仍存在诸多挑战。因此，迫切需要开发一种更简单、更便携的自供电医疗产品，同时具备呼吸监测和颗粒物过滤功能来监测和保护人们的身体健康。近年来，摩擦纳米发电机（TENG）能够从人体运动中获取能量，包括手指运动、走路、手臂运动、呼吸等，建立了各种高效环保的动力系统，并且TENG在空气净化方面也具有巨大的应用潜力。而纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子材料，它可以作为很好的摩擦电材料。通过原位生长的方法制备了纤维素/MOF复合材料，并将其与TENG相结合构建自供电空气过滤器。将TENG集成在空气过滤器中，寻求一种结构简单的可穿戴自供电医疗产品，为人类身体健康和大气污染物去除方面提供新的思路。
近日，广西大学轻工与食品工程学院聂双喜教授团队在Nano Energy 上报道了一种透气、高效过滤亚微米颗粒物和具有呼吸监测能力的自供电空气过滤器。首先，在纤维素气凝胶上原位合成导电金属有机骨架（Ni-HITP）制备纤维素气凝胶/Ni-HITP（CA/Ni-HITP）复合材料。然后，将CA/Ni-HITP与PVDF膜构建了呼吸驱动的摩擦纳米发电机（R-TENG），进一步设计了自供电空气过滤器。基于传统的物理过滤机制和静电吸附机制，自供电空气过滤器去除PM1.0、PM0.5和PM0.3的效率分别为98.4%、97.3%和95.0%，同时保持86 Pa较低的压降。所制备的自供电空气过滤器在过滤亚微米颗粒物的同时还可以根据频率和强度的不同实时监测佩戴者的呼吸状态。该自供电空气过滤器在人类健康、自供电设备和大气污染物去除等方面具有了更多的潜在应用。
该研究团队提出了一种既可以去除亚微米颗粒物又可以进行呼吸监测的自供电空气过滤器。图1a展示了自供电空气过滤器的应用示意图。在呼吸监测过程中，可以通过无线的方式在手机上看到实时检测信号。自供电空气过滤器中R-TENG主要由两部分组成，即内部的PVDF膜和外部的CA/Ni-HITP复合材料。同时，在图中也展示了在CA/Ni-HITP复合材料中，Ni-HITP捕获污染物可能的三种机制。
大多数植物如木材、竹子和棉花主要含有三种成分，即纤维素、木质素和半纤维素，其中，纤维素易于溶解，可用于CA的制备。因此，采用溶解、交联、再生的方法得到纤维素水凝胶，再通过简单的冷冻干燥技术得到三维CA骨架。随后在CA上原位合成了Ni-HITP，得到了具有良好导电性的CA/Ni-HITP复合材料。分别采用元素分析、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪和原子力显微镜等对CA/Ni-HITP复合材料的化学性质进行探究。
所制备的自供电空气过滤器在去除亚微米颗粒物时具有良好的去除效果。与CA、CA/Ni-HITP、CA/Ni-HITP+PVDF和普通商用口罩相比，自供电空气过滤器对亚微米颗粒物（PM0.3、PM0.5、PM1.0）的去除效率最高，对PM1.0、PM0.5和PM0.3的去除效率分别为98.4%、97.3%和95.0%，并且随着颗粒直径的增大，去除效率逐渐增大。该研究团队还进一步探讨该自供电空气过滤器在呼吸监测中的应用前景。自供电空气过滤器也可以与数字万用表连接，并通过无线的方式将数据传输到手机端，当测试者呼吸时，就可以在手机上实时检测到输出信号。因此，该自供电空气过滤器能够通过一些呼吸指标监测佩戴者的呼吸状态。
研究团队通过在CA上原位生长Ni-HITP制备导电CA/Ni-HITP复合材料，并与PVDF膜构建了R-TENG，设计了一种基于R-TENG的可穿戴自供电空气过滤器。同时，对自供电空气过滤器对亚微米颗粒物的过滤性能和过滤机理进行了分析。采用传统机械拦截和强化静电吸附相结合的方式，自供电空气过滤器对PM1.0和PM0.5的去除效率分别达到98.4%和97.3%，对PM0.3的去除效率高达95.0%。同时，过滤器的多孔结构使其在过滤时具有86 Pa的低压降。此外，该自供电空气过滤器在过滤亚微米颗粒物的同时，还可以根据频率和强度的不同实时监测佩戴者的呼吸状态。因此，基于R-TENG的自供电空气过滤器在人类身体健康、自供电医疗产品和大气污染物去除等方面具有更多的潜在应用。
相关论文发表在Nano Energy 上，广西大学硕士研究生付秋为文章的第一作者，聂双喜教授为通讯作者。
Air-permeable cellulosic triboelectric materials for self-powered healthcare products
Qiu Fu（付秋）, Yanhua Liu（刘艳华）, Tao Liu（刘涛）, Jilong Mo（莫济龙）, Wanglin Zhang（张旺林）, Song Zhang（张松）, Bin Luo（罗斌）, Jinlong Wang（王金龙）, Ying Qin（秦影）, Shuangfei Wang（王双飞）, Shuangxi Nie*（聂双喜）
Nano Energy, 2022, 102, 107739, DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107739
聂双喜，广西大学教授，博士生导师，“国家技术发明奖”和“国家霍英东青年教师奖”获得者。长期致力于先进纤维素功能材料的开发及其构效关系的深入解析，系统研究了纤维素材料摩擦起电性能影响及关键控制要点，开发了系列高性能纤维素摩擦电材料。研究成果形成了完整的调控纤维素摩擦电性能的理论体系，对实现高性能纤维素基摩擦电材料的应用具有重大意义。系列研究成果在Nature Communications、Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy、Small等国际著名期刊上发表SCI论文140余篇，所发表的论文近五年被国际同行引用4000余次，累计入选ESI热点论文1篇、ESI高被引论文13篇。共获授权发明专利27件，其中5项技术已实现成果转化，转让到校总经费387万元。
https://www.x-mol.com/university/faculty/338324
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