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【Nature Sustainability】机械力驱动的摩擦电高效空氣负离子发生器
發表日期: 2020-10-27 文章來源:
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  空氣負離子被稱爲空氣“維他命”,是一種電遷移率在1-2 cm2 V-1 S-1的小離子。就目前的科學研究表明,他們對空氣中PM物質的淨化,有害有機物的分解,以及細菌的抑制均具有重要的作用。除了自然界中在深林,瀑布和暴雨時産生的大量空氣負離子,人們利用電弧放電,熱電子發射,光激發等方式也可以制造出産生空氣負離子的機器。在這些原理中,通過在細針尖電極施加高壓的方式來離子化空氣的空氣負離子産生器已經大量的應用到我們的日常生活中。然而對于該類型的空氣負離子發生器,需要電壓倍增電路模塊來産生高壓,這在電路上相對複雜,整個體積較大,且在沒有保護電路的情況下具有一定的安全問題。這很大程度上限制了高壓型負離子發生器的應用多樣性。近些年,人們開發出在壓力作用下,利用鐵電晶體材料釋放的空氣負離子産生器豐富了其應用場景。然而該類型空氣負離子發生器在力的作用下産生的空氣離子量非常低,且對于力的施加形式也有很大的限制。 

  基于摩擦起電和靜電感應效應的摩擦納米發電技術,可以將環境中各種形式的機械運動轉化爲電能,且器件具有輕質,柔性,易于制作,材料選擇性多樣等特點。摩擦納米發電機無需任何複雜轉化電路,就可以産生超過10 KV的高壓,且具有傳統高壓電源無可比擬的便攜性和安全性,這將無疑大大簡化空氣負離子産生系統從而降低成本。在之前的工作中,利用摩擦納米發電機的高壓特性,科學家們成功實現了諸如納庫量級的電噴霧,電紡,電子場發射以及微等離子體的産生。因此結合摩擦納米發電技術的這些特性和優勢,采用其驅動空氣負離子的産生將會豐富現有空氣負離子發生器的一種簡單可行的方案。 

  近日,中國科學院北京纳米能源与系统研究所、重庆大学以及台湾暨南大学首次提出了一种机械力驱动的摩擦电空氣负离子发生器。科研人员分别对独立摩擦层模式和接触分离模式的摩擦纳米发电器件进行了测试研究,并采用质谱检测和V-Q圖對負離子的産生進行了實驗和理論上的分析。利用摩擦納米發電機驅動碳纖維,摩擦納米發電器件中97%的輸出電荷均可以有效的轉化爲空氣負離子。對于一個手掌大小的摩擦納米發電器件,在一個滑動周期中,實際測試産生了約2x1013個數量巨大的空氣負離子。采用所述摩擦電空氣負離子産生器,在一個約5100 cm3的腔體內,0.25 Hz的滑動頻率下,PM 2.5可以從999 ug m-3的數值在80 s內快速降至0 ug m-3.該摩擦電空氣負離子産生器將會對現有空氣負離子發生器起到補充以及豐富其應用多樣性的作用。相關成果以“A Highly Efficient Triboelectric Negative Air Ion Generator”爲題發表在最新一期的Nature Sustainability(https://doi.org/10.1038/s41893-020-00628-9 ) 

1.摩擦電空氣負離子産生器的原型.a,器件結構.b,空氣離子計數器測試.c,質譜測試.

2.摩擦電空氣負離子産生器的性能.a,獨立摩擦層模式器件的離子産生量.b,接觸分離模式器件的離子産生量.c,單周期內離子産生曲線.d,PM2.5淨化曲線.e,f,空氣PM2.5淨化效果.

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