近年來，由于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和日益增長(zhǎng)的化石能源的消耗，懸浮顆粒導(dǎo)致的空氣污染變得越來越嚴(yán)重。這些懸浮顆粒是形成霧霾的主要原因。通常情況下，空氣中的顆粒物（PM）依據(jù)粒徑的大小可分為粗、細(xì)和超細(xì)顆粒（UFPs），直徑分別在2.5-10 μm（PM10）、< 2.5 μm（PM2.5）和< 0.1 μm（PM0.1）內(nèi)。研究表明長(zhǎng)時(shí)間暴露于污染空氣（PM2.5）之中會(huì)導(dǎo)致呼吸道、心血管等疾病的發(fā)生，因此如何有效去除空氣中的PM備受關(guān)注。目前市場(chǎng)上的空氣凈化器主要包括靜電過濾器和纖維過濾器兩種。靜電過濾器主要是通過高壓靜電場(chǎng)使霧霾顆粒帶電并吸附沉積來凈化空氣。其缺點(diǎn)是高壓電場(chǎng)不可避免地會(huì)擊穿空氣，產(chǎn)生副產(chǎn)物臭氧。臭氧對(duì)人們的健康有害，具有致癌性。而纖維過濾器，如HEPA濾網(wǎng)、納米纖維濾網(wǎng)對(duì)尺寸大于濾網(wǎng)網(wǎng)孔的懸浮顆粒具有很好的過濾效果，但對(duì)于小于濾網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸的顆粒，效率大幅度下降。

中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士和李從舉研究員（共同通訊作者）開發(fā)了一種高效旋轉(zhuǎn)摩擦納米發(fā)電機(jī)（R-TENG）增強(qiáng)型聚酰亞胺（PI）納米纖維空氣過濾器，用于環(huán)境氣氛中PM的去除。研究人員對(duì)不同粒徑的PM進(jìn)行了過濾去除實(shí)驗(yàn)，得到了具有指導(dǎo)意義的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這種空氣凈化和霧霾處理的方法，具有零臭氧釋放和低壓降的優(yōu)異性能。

圖1. 過濾器去除空氣中PM的原理和不同過濾器對(duì)PM的去除效果。（左）R-TENG增強(qiáng)的PI納米纖維過濾器去除空氣中PM的原理示意圖；（右）不同過濾器對(duì)PM的去除效果對(duì)比圖。

圖2. PI納米纖維的制造、結(jié)構(gòu)與透射光譜。（a）通過靜電紡絲制造PI空氣過濾器的示意圖；（b）（c）（d）具有不同放大倍率的PI空氣納米纖維的SEM圖像；（e）靜電紡絲時(shí)間為10至60分鐘的PI過濾器照片；（f）不同紡絲時(shí)間對(duì)應(yīng)PI納米纖維膜的透射光譜。

圖3. PM去除效率測(cè)量示意圖與兩種不同的過濾結(jié)構(gòu)。（a）PM去除效率測(cè)量裝置的示意圖，插圖是PI納米纖維膜的FE-SEM圖像；（b）過濾器過濾結(jié)構(gòu)的示意圖，無R-TENG；（c）過濾器過濾結(jié)構(gòu)的示意圖，有R-TENG；（d）R-TENG的整流電壓示意圖；（e）不同網(wǎng)眼大小和靜電紡絲時(shí)間下，空氣過濾器的PM2.5去除效率。

圖4. 不同因素對(duì)PM去除效率的影響。（a）不同靜電紡絲時(shí)間下，不同過濾器（是否具有R-TENG增強(qiáng)）的PM2.5去除效率；（b）60分鐘靜電紡絲時(shí)間下，不同過濾器（是否具有R-TENG增強(qiáng)）對(duì)不同尺寸PM的去除效率；（c）不同氣體速度下，不同過濾器（是否具有R-TENG增強(qiáng)）PM2.5的去除效率；（d）不同氣體速度下，不同紡絲時(shí)間的過濾器壓降情況。

圖5. 不同粒徑PM在過濾器中的過濾情況與去除效率。（a）PM粒徑為15-50 nm之間時(shí)，三種不同情況下（未處理、過濾器處理和R-TENG增強(qiáng)的過濾器處理）PM的粒度分布；（b）在PM粒徑為15-50 nm之間時(shí)，不同過濾器（是否具有R-TENG增強(qiáng)）的去除效率對(duì)比；（c）在PM粒徑為0.54-20 μm之間時(shí)，三種不同情況下（未處理、過濾器處理和R-TENG增強(qiáng)的過濾器處理）PM的粒度分布；（d）在PM粒徑為0.54-20 μm之間時(shí)，不同過濾器（是否具有R-TENG增強(qiáng)）的去除效率對(duì)比，圖中使用的過濾器是靜電紡絲60分鐘后得到的。

小結(jié)

王中林院士和李從舉研究員開發(fā)了高效率的R-TENG增強(qiáng)型PI納米纖維空氣過濾器用于去除PM。PI靜電紡絲納米纖維膜對(duì)直徑大于0.5 μm的PM顆粒具有較高的去除效率。當(dāng)使用R-TENG強(qiáng)化時(shí)，過濾器對(duì)PM的去除效率顯著提高，特別是當(dāng)PM的粒徑小于100 nm時(shí)，R-TENG增強(qiáng)型過濾器的去除效率保持在80%以上。這種具有高效去除效率的新技術(shù)為空氣凈化和霧霾處理提供了新的方法。這一成果近期發(fā)表在ACS Nano上，文章的第一作者是北京納米能源與系統(tǒng)研究所的博士研究生顧廣欽和韓昌報(bào)副研究員。