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  對(duì)于高效空氣過濾，靜電吸附是機(jī)械過濾的重要補(bǔ)充。然而，靜電荷會(huì)隨著時(shí)間衰減，在潮濕條件下尤其明顯。在此，本文報(bào)道了一種自充電空氣過濾（SAF）技術(shù)，無需外部電源即可高效持久地捕獲空氣中的顆粒物。該技術(shù)利用靜電紡絲聚偏二氟乙烯（PVDF）納米纖維薄膜和尼龍織物之間的摩擦電效應(yīng)，在佩戴者呼吸的激勵(lì)下持續(xù)產(chǎn)生電荷，以補(bǔ)充口罩過濾層表面靜電荷。依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) NIOSH 42 CFR 84，在長(zhǎng)達(dá) 60 小時(shí)的測(cè)試周期中（包括 30 小時(shí)的佩戴時(shí)間），該自充電口罩對(duì) 0.3 微米顆粒物的過濾效率不低于95.8%，過濾效率和使用壽命明顯高于市售外科口罩。此外，作者揭示了過濾效率與表面靜電勢(shì)之間的定量關(guān)系。該項(xiàng)工作提供了一種延長(zhǎng)高性能空氣過濾口罩靜電吸附效力的有效策略。

  佩戴口罩是預(yù)防病毒傳播有效且簡(jiǎn)便的方法，但口罩長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致保護(hù)效力的顯著下降，一般需要每天更換。絕大多數(shù)市售口罩都是由不可降解的熱塑性塑料制成，大量廢棄口罩帶來嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)。熔噴層作為核心過濾層，是決定口罩過濾性能的核心部件。熔噴層目前使用最廣泛的是聚丙烯熔噴布，由無數(shù)微米纖維隨機(jī)交聯(lián)組成。利用微米纖維的阻擋和纖維間的孔道，過濾層可通過四種機(jī)械過濾機(jī)制（包括慣性碰撞、攔截、篩分和擴(kuò)散）捕獲大氣顆粒物。表面上看，增加過濾層厚度和減小孔徑是提高過濾效率的直接方法；然而，這種方式伴隨著呼吸阻力的升高，而呼吸阻力是評(píng)價(jià)口罩性能的重要指標(biāo)。靜電吸附可打破高過濾效率和低呼吸阻力之間的矛盾，是機(jī)械過濾的重要補(bǔ)充。靜電吸附對(duì)口罩整體過濾效率的貢獻(xiàn)可高達(dá) 80%。不幸的是，靜電荷會(huì)隨著時(shí)間的推移而顯著衰減，潮濕條件下尤為明顯，從而導(dǎo)致口罩壽命的大幅縮減�；诖�，文本開發(fā)了一款基于自充電技術(shù)的高效、持久空氣過濾口罩（圖1），通過提高靜電荷水平并延長(zhǎng)電荷保留時(shí)間大大延長(zhǎng)口罩的使用壽命。

圖1自充電空氣過濾口罩。 a 自充電口罩的示意圖。 b 與外科口罩相比，自充電口罩中中的過濾層增強(qiáng)了對(duì)細(xì)小顆粒的吸附能力。

圖2 表面電勢(shì)與過濾效率之間的定量關(guān)系。 a 在不同表面電勢(shì)下，對(duì)于0.3 μm 至 10 μm 顆粒的分級(jí)過濾效率。b 20% 和 50% 相對(duì)濕度下的靜電勢(shì)衰減。

圖3 利用摩擦電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高效持久的顆粒物捕獲。a 本文所研究材料的摩擦電系列。b 自充電口罩的摩擦電荷產(chǎn)生機(jī)制。c自充電技術(shù)提升靜電荷水平。d 過濾效率和壓降的耐久性評(píng)估。e與市售口罩的性能對(duì)比。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35521-w

  【通訊作者簡(jiǎn)介】

  楊征保副教授于2012年獲得哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位， 2016年獲得多倫多大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系和材料科學(xué)與工程學(xué)系副教授。近年來申請(qǐng)了20個(gè)中美專利，發(fā)表100多篇學(xué)術(shù)論文，包括Nature, Nature Comm., Science Robotics, Science Advances, Joule, EES等高影響力期刊。在過去兩年被斯坦福大學(xué)列為“全球2%科學(xué)家”之一。研究方向包括震動(dòng)和機(jī)電一體化，特別聚焦于為能量采集器、傳感器和致動(dòng)器開發(fā)智能結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。該跨學(xué)科的研究領(lǐng)域需要結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)、電路、智能材料和動(dòng)態(tài)分析方面的知識(shí)和技能。更多信息可以訪問Google Scholar 和課題組網(wǎng)站（https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/）以獲取。