对于高效空气过滤，静电吸附是机械过滤的重要补充。然而，静电荷会随着时间衰减，在潮湿条件下尤其明显。在此，本文报道了一种自充电空气过滤（SAF）技术，无需外部电源即可高效持久地捕获空气中的颗粒物。该技术利用静电纺丝聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维薄膜和尼龙织物之间的摩擦电效应，在佩戴者呼吸的激励下持续产生电荷，以补充口罩过滤层表面静电荷。依据国际标准 NIOSH 42 CFR 84，在长达 60 小时的测试周期中（包括 30 小时的佩戴时间），该自充电口罩对 0.3 微米颗粒物的过滤效率不低于95.8%，过滤效率和使用寿命明显高于市售外科口罩。此外，作者揭示了过滤效率与表面静电势之间的定量关系。该项工作提供了一种延长高性能空气过滤口罩静电吸附效力的有效策略。佩戴口罩是预防病毒传播有效且简便的方法，但口罩长时间使用会导致保护效力的显著下降，一般需要每天更换。绝大多数市售口罩都是由不可降解的热塑性塑料制成，大量废弃口罩带来严峻的环境挑战。熔喷层作为核心过滤层，是决定口罩过滤性能的核心部件。熔喷层目前使用最广泛的是聚丙烯熔喷布，由无数微米纤维随机交联组成。利用微米纤维的阻挡和纤维间的孔道，过滤层可通过四种机械过滤机制（包括惯性碰撞、拦截、筛分和扩散）捕获大气颗粒物。表面上看，增加过滤层厚度和减小孔径是提高过滤效率的直接方法；然而，这种方式伴随着呼吸阻力的升高，而呼吸阻力是评价口罩性能的重要指标。静电吸附可打破高过滤效率和低呼吸阻力之间的矛盾，是机械过滤的重要补充。静电吸附对口罩整体过滤效率的贡献可高达 80%。不幸的是，静电荷会随着时间的推移而显著衰减，潮湿条件下尤为明显，从而导致口罩寿命的大幅缩减。基于此，文本开发了一款基于自充电技术的高效、持久空气过滤口罩（图1），通过提高静电荷水平并延长电荷保留时间大大延长口罩的使用寿命。图1自充电空气过滤口罩。a 自充电口罩的示意图。b 与外科口罩相比，自充电口罩中中的过滤层增强了对细小颗粒的吸附能力。首先，作者基于静电纺丝 PVDF 纳米纤维膜建立了过滤效率与表面静电势之间的定量关系。结果表明，过滤效率随着表面静电势的上升而增加。与仅依赖机械捕获机制相比， −3.3 kV的表面电势对于0.3 µm、1 µm和2.5 µm粒径颗粒物的过滤效率分别提高了7.39%、6.86%和6.95%，反映了静电荷对过滤效率的积极影响。值得注意的是，尽管此前有工作定性地证明了静电荷对颗粒去除的作用，但本项研究是首次揭示了过滤效率与表面电荷水平之间的定量关系。此外，论文作者研究了不同环境湿度下的电荷衰减，潮湿环境下观察到明显的电荷下降。在通过电晕驻极化处理进行初始电荷注入后，于 50% 相对湿度下，过滤层表面电势5天内下降 92.5%。因此，提高口罩电荷保有能力必要且意义重大。图2 表面电势与过滤效率之间的定量关系。a 在不同表面电势下，对于0.3 µm 至 10 µm 颗粒的分级过滤效率。b 20% 和 50% 相对湿度下的静电势衰减。在此前报道中，补充过滤层表面电荷的方法主要包括配备外部高压电源、内部集成电源（如电池）以及利用机电转换技术产生电荷。尽管这些工作在延长静电吸附功效方面取得了进展，但挑战仍然存在，包括外接电源带来的使用不便利，电池的液态电解质可能会引发安全问题，以及过滤效率不佳或评价标准过低。为了克服上述问题，论文作者探索基于摩擦电效应的自充电过滤技术，以实现高效持久的颗粒物捕获。作者以产生更多电荷为目标导向，第一个挑战是如何提高摩擦电材料之间的电荷转移。作者利用静电纺丝 PVDF作为摩擦电负极材料，并选择尼龙织物作为正极材料。因为尼龙与 PVDF之间电子亲和力差异大，这意味着两者物理接触时有显著的电荷分离和转移。第二个挑战是如何优化口罩结构以实现摩擦层之间的充分接触和分离。考虑到不对称结构中的净作用力不利于有效分离，作者采用夹层结构，尼龙层对称位于 PVDF 层的两侧。优化后的 自充电口罩表现出出色的电荷保有能力，佩戴 10 小时后表面电势剩余−0.75 kV，作为对比，市售外科口罩在佩戴相同时间后电势衰减至−0.27 kV。因此，本文报道的自充电口罩在佩戴 30 小时后对 0.3 微米颗粒的捕获效率仍高达95.8%，符合 N95 标准。此外，与市售口罩相比，该自充电口罩在呼吸阻力、品质因子和成本效益方面均表现良好。图3 利用摩擦电效应实现高效持久的颗粒物捕获。a 本文所研究材料的摩擦电系列。b 自充电口罩的摩擦电荷产生机制。c自充电技术提升静电荷水平。d 过滤效率和压降的耐久性评估。e与市售口罩的性能对比。
综上所述，作者开发了一种高效、持久、低成本的自充电空气过滤口罩。通过利用摩擦电效应补充电荷，大大减缓电荷衰减对长效空气过滤的不利影响。在经过 60 小时（包括佩戴 30 小时）的测试后，对 0.3 µm颗粒物的过滤效率仍高达 95.8%。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35521-w
杨征保副教授于2012年获得哈尔滨工业大学学士学位， 2016年获得多伦多大学博士学位，现为香港城市大学机械工程学系和材料科学与工程学系副教授。近年来申请了20个中美专利，发表100多篇学术论文，包括Nature, Nature Comm., Science Robotics, Science Advances, Joule, EES等高影响力期刊。在过去两年被斯坦福大学列为“全球2%科学家”之一。研究方向包括震动和机电一体化，特别聚焦于为能量采集器、传感器和致动器开发智能结构和动态系统。该跨学科的研究领域需要结合机械设计、电路、智能材料和动态分析方面的知识和技能。更多信息可以访问Google Scholar 和课题组网站（https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/）以获取。
