來源：微算云平臺(tái)

成果介紹

去除空氣中的顆粒物（PM）對(duì)改善空氣質(zhì)量、保障人體健康具有重要意義。水系濾網(wǎng)空氣凈化技術(shù)因其優(yōu)異的顆粒物凈化效率與抗堵塞性能，受到了廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有水系濾網(wǎng)仍依賴顆粒物的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，限制了其應(yīng)用潛力。將靜電吸附與水系濾網(wǎng)相結(jié)合，可突破這一局限，并強(qiáng)化氣-液界面?zhèn)髻|(zhì)過程。

廣西大學(xué)聶雙喜教授等人設(shè)計(jì)了一種融合氣泡柵控與導(dǎo)流板的摩擦電空氣過濾器，利用氣泡誘導(dǎo)產(chǎn)生的靜電勢(shì)實(shí)現(xiàn)快速空氣凈化。氣泡聚集與瞬時(shí)脈沖可在水相中產(chǎn)生高達(dá)-3.3 kV的靜電勢(shì)。原位產(chǎn)生的靜電力可在氣泡內(nèi)部高效捕獲顆粒物，對(duì)PM1.0的凈化效率達(dá)95.5%，對(duì)PM2.5凈化效率最高可達(dá)99.8%。通過汽車尾氣處理實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該摩擦電空氣過濾器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。綜上，本研究為水系濾網(wǎng)高效空氣凈化提供了一種可行的技術(shù)策略。

相關(guān)工作以《Pulsed bubble-induced ultrahigh electrostatic potentials for triboelectric air purification》為題在《Nature Sustainability》上發(fā)表論文。這也是廣西大學(xué)首次以第一單位在《NatureSustainability》上發(fā)表論文，同時(shí)也是唯一通訊單位。

圖文介紹

圖1 錘頭鯊仿生摩擦電過濾器設(shè)計(jì)理念

錘頭鯊的鰓系統(tǒng)具有晶格狀鰓耙結(jié)構(gòu)，可在流動(dòng)阻力極小的條件下實(shí)現(xiàn)顆粒物高效捕獲；同時(shí)其擁有雙層上皮組織，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)氣體交換與離子過濾。上述結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成了高效的呼吸界面。受該生物組織結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究采用二氧化碳激光刻蝕技術(shù)，制備出具有類似柵欄結(jié)構(gòu)的氣泡柵控器件（圖1）。氣泡柵可調(diào)控氣泡釋放并產(chǎn)生壓縮脈沖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的空氣凈化性能。

含塵氣泡流經(jīng)液-固界面并脫離界面時(shí)，會(huì)原位產(chǎn)生靜電力，使氣泡內(nèi)的顆粒物被吸附捕獲。本文系統(tǒng)研究了含塵氣泡中靜電吸附機(jī)理及顆粒物捕獲的關(guān)鍵影響因素。通過調(diào)控柵欄結(jié)構(gòu)參數(shù)，可精準(zhǔn)控制空氣凈化效率與氣體通量。綜上，該摩擦電過濾器兼具高效空氣凈化能力、優(yōu)異氣體通量及工作穩(wěn)定性，可進(jìn)一步拓展摩擦電過濾器在可持續(xù)、多場(chǎng)景空氣凈化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用范圍。

圖2 摩擦電式空氣凈化裝置概述

摩擦電過濾器主要由氣泡柵控模塊與下方儲(chǔ)氣腔組合構(gòu)成。圖2a為多通道并聯(lián)式復(fù)合裝置，氣泡釋放孔布置于摩擦電過濾器底部。含塵微氣泡先在儲(chǔ)液腔內(nèi)聚并形成大氣泡；當(dāng)浮力勢(shì)能克服氣泡柵產(chǎn)生的拉普拉斯壓力后，大氣泡隨即釋放并產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖。空氣凈化過程如圖2b所示，其中顆粒物的靜電吸附與界面遷移是核心作用路徑。初始階段，液固接觸會(huì)引發(fā)電子轉(zhuǎn)移。靜電吸附過程中，氣泡進(jìn)入介質(zhì)柵會(huì)快速割裂原有液固界面，將其轉(zhuǎn)變?yōu)闅夤探缑媾c氣液界面。由此，固體與液體表面產(chǎn)生相反電荷：固體帶正電，液體帶負(fù)電（圖2c）。

表面電勢(shì)測(cè)試結(jié)果表明，裝置內(nèi)水體靜電勢(shì)為+0.5 kV，介質(zhì)表面靜電勢(shì)達(dá)-3.3 kV（圖 2d）。液、固兩相的表面電勢(shì)為帶電顆粒物提供定向驅(qū)動(dòng)力，可對(duì)氣泡所攜帶的顆粒物實(shí)現(xiàn)高效吸附（圖 2e）。隨后，氣泡脫離裝置時(shí)發(fā)生顆粒物界面遷移；顆粒物在隨氣泡向上運(yùn)動(dòng)過程中被水界面捕集分離。此過程中，氣固界面重新恢復(fù)為液固界面。

這種摩擦靜電力本質(zhì)上是可持續(xù)的，完全由氣泡的浮力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)，在沒有外部電源輸入的情況下就地產(chǎn)生。由此產(chǎn)生的靜電力顯著提高了超細(xì)顆粒物的去除效率，PM0.5的去除率提高了563%（圖2f）。摩擦電過濾器對(duì)PM1.0的凈化效率為95.5%，對(duì)PM2.5的凈化效率高達(dá)99.8%。摩擦電液-固界面提供的直接除塵能力超過了大多數(shù)固態(tài)空氣過濾介質(zhì)，與幾種新興的空氣凈化技術(shù)相媲美（圖2g）。

圖3 摩擦電過濾器的工作原理與性能優(yōu)化

靜電力是經(jīng)典顆粒過濾理論中的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制，對(duì)直徑小于1 μm的亞微米顆粒具有顯著的影響。對(duì)于帶電的PM，靜電力遵循庫(kù)侖定律，與粒子與帶電表面之間的距離成反比。在我們的實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)整柵極的間距來調(diào)制帶電PM與介電表面之間的平均距離（圖3a）。與庫(kù)侖定律一致，減小間距可以提高PM的過濾效率，特別是對(duì)于PM1.0和PM0.5等超細(xì)顆粒（圖3b）。隨著誘導(dǎo)距離的減小，介質(zhì)的表面電位顯著增加（圖3c），較小的間距促進(jìn)摩擦電界面上更有效的氣-固界面吸附。然而，當(dāng)板間間距減小到0.4 mm時(shí)，介質(zhì)門控會(huì)產(chǎn)生大量的拉普拉斯壓力。這會(huì)阻礙氣泡通過并導(dǎo)致明顯的氣泡保留，最終損害設(shè)備性能。

摩擦電過濾器中的介電層由聚全氟乙丙烯（FEP）構(gòu)成，該材料是一種極具應(yīng)用前景的駐極體材料，以高電荷儲(chǔ)存能力和優(yōu)異穩(wěn)定性著稱。圖3d描述了FEP 薄膜表面電勢(shì)在多次循環(huán)工作過程中的變化規(guī)律。經(jīng)過大約350次連續(xù)氣泡沖刷后，F(xiàn)EP的表面電位逐漸增加并穩(wěn)定在-3.3 kV。同時(shí)監(jiān)測(cè)的空氣凈化性能顯示出相應(yīng)的趨勢(shì)（圖3e）。FEP的面積和幾何形狀不影響最大累積表面電位，表明這種表面電荷積累是材料的固有特性。

圖3f說明了摩擦電過濾器快速處理含塵氣體的潛力。采用相同濃度的煙霧，比較了靜態(tài)、純水（無摩擦電效應(yīng)）和摩擦電過濾三種條件下的凈化性能。大約360 s后，經(jīng)過摩擦電裝置處理的容器變得幾乎透明，而靜態(tài)條件下仍然含有濃煙。與純水條件相比，摩擦電裝置的除煙效果明顯優(yōu)于純水條件，這與摩擦電裝置的高效過濾性能一致（圖2f）。對(duì)容器內(nèi)顆粒物濃度的連續(xù)監(jiān)測(cè)表明，摩擦電裝置迅速將濃度從超過999 μg m-3降低到45 μg m-3（圖3g），而靜態(tài)和水條件下保持相對(duì)較高的顆粒物濃度。

圖4 摩擦電界面靜電吸附特性表征

圖4a描繪了摩擦電液-固界面的電荷分布示意圖。在接觸區(qū)域內(nèi)，電子在液體和固體之間傳遞，產(chǎn)生相等但相反的電荷。脈沖氣泡穿透并分離帶電的液固界面，形成有利于PM吸附的靜電場(chǎng)。通過數(shù)值模擬進(jìn)一步研究了脈沖氣泡對(duì)流體流動(dòng)和電場(chǎng)分布的影響。脈沖氣泡作用下的流場(chǎng)，可以看出液體和氣體的流動(dòng)都形成了從中心向外圍發(fā)散的對(duì)流模式。圖4b顯示了脈沖氣泡條件下的電場(chǎng)分布，在氣-液-固三相接觸線附近有明顯的電場(chǎng)強(qiáng)度峰值，而界面處的遠(yuǎn)場(chǎng)明顯較弱。在更微觀的層面上，界面電場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離三相接觸線的距離呈指數(shù)衰減，在0.5 mm處產(chǎn)生的靜電勢(shì)比1.0 mm處高3倍。

在模擬流場(chǎng)和電場(chǎng)的基礎(chǔ)上，研究了脈沖氣泡中PM的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖4c）。在氣泡誘導(dǎo)流體動(dòng)力學(xué)的驅(qū)動(dòng)下，PM最初從中央通道向上層水界面遷移，其中中央通道的快速流動(dòng)與側(cè)面通道的反向流動(dòng)形成對(duì)比。隨后，剪切誘導(dǎo)的再循環(huán)使顆粒更靠近界面，而電場(chǎng)提供最終的定向驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)顆粒的快速捕獲。將FEP固定在反重力方向，發(fā)現(xiàn)其表面吸附了大量的PM (SEM)，證實(shí)了FEP對(duì)PM具有極強(qiáng)的靜電吸附能力（圖4d）。相反，從FEP表面分離后獲得正電荷的水更有效地吸附帶負(fù)電荷的PM。

當(dāng)PM與水界面接觸時(shí)，溶液可以捕獲親水性和疏水性顆粒（圖4e）。在實(shí)驗(yàn)中，親水顆粒與水界面接觸后直接進(jìn)入液體。雖然疏水粒子不能進(jìn)入溶液，但它們被水界面成功捕獲。除了直接從氣相中捕獲PM外，水界面還可以去除吸附在固體表面的PM。當(dāng)氣泡離開裝置時(shí)，這是通過氣液固三相接觸線的運(yùn)動(dòng)發(fā)生的。實(shí)驗(yàn)表明，無論吸附在FEP表面的PM是親水性還是疏水性，滑動(dòng)的水滴都能很容易地帶走吸附在FEP表面的PM。

因此，摩擦電界面處的顆粒物吸附過程可以分為三個(gè)階段（圖4f）。在靜態(tài)狀態(tài)下，液體與固體接觸形成雙電層。隨后，氣泡上升并分離液-固界面，產(chǎn)生電場(chǎng)。然后液體和固體表面通過靜電力吸附大量的PM。最后，隨著氣-液-固三相接觸線向上移動(dòng)，水界面收集吸附在FEP表面的PM，使PM有效地轉(zhuǎn)移到液體中。

圖5 摩擦電過濾器的通用性與穩(wěn)定性

空氣凈化系統(tǒng)在復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的條件下運(yùn)行，過濾器經(jīng)常面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，如腐蝕或堵塞。提高溶液溫度可提高空氣凈化性能（圖5a）。圖5b進(jìn)一步說明了不同化學(xué)性質(zhì)的溶液對(duì)空氣凈化性能的影響。結(jié)果表明，與純水相比，溶液pH的改變和離子濃度的增加會(huì)降低過濾效率。離子強(qiáng)度的提高屏蔽了液-固界面的電荷轉(zhuǎn)移位點(diǎn)，這是觀察到的空氣凈化性能下降的基礎(chǔ)。FEP具有優(yōu)異的耐腐蝕和抗污性能。在酸性、堿性甚至鹽水溶液中浸泡后，F(xiàn)EP的表面形貌幾乎保持不變（圖5c）。此外，顯微鏡和熒光成像證實(shí)細(xì)菌既不附著在FEP表面也不增殖（圖5d）。

如圖5e所示，研究了不同含塵氣體對(duì)過濾器性能的影響。與復(fù)雜的溶液系統(tǒng)類似，高水溶性氣體會(huì)增加離子濃度，降低空氣凈化性能。而典型N2對(duì)過濾效率的影響可以忽略不計(jì)。還研究了酸性和堿性氣溶膠的影響。它們的吸收改變了溶液的pH值，產(chǎn)生的趨勢(shì)與在不同pH值的溶液中觀察到的趨勢(shì)相似（圖5b）。然而，在幾個(gè)循環(huán)內(nèi)，性能保持相對(duì)穩(wěn)定。摩擦電過濾器可以適應(yīng)大范圍的氣體流速。然而，氣體流速是有限制的，因?yàn)樗仨氃试S在下一個(gè)氣泡進(jìn)入摩擦電界面之前氣體完全排出，以確保最佳的空氣凈化性能。當(dāng)兩個(gè)氣泡在摩擦電界面共存時(shí)，特別是形成“氣柱”形狀時(shí)，它限制了水界面從FEP表面收集PM的能力。因此，增加的氣流不可避免地限制了空氣凈化效率（圖5f）。

耐久性和穩(wěn)定性是評(píng)估空氣過濾器的關(guān)鍵因素。過濾器具有很強(qiáng)的抗堵塞性，因?yàn)殡姌O間隙明顯大于PM或絮凝污染物的特征尺寸。即使在大約300 min的連續(xù)過濾后，也沒有觀察到明顯的凈化性能損失（圖5g）。而且，通過簡(jiǎn)單的換水，過濾器可以在多次污染后恢復(fù)其初始的空氣凈化性能（圖5h）。

圖6 多通道集成式摩擦電過濾器性能驗(yàn)證

提高氣體處理能力對(duì)實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。摩擦電過濾器通過局部靜電場(chǎng)工作，通過單個(gè)單元的復(fù)制實(shí)現(xiàn)固有的可擴(kuò)展性。圖6a是一個(gè)集成的多通道摩擦電濾波器，底部是氣泡產(chǎn)生單元，頂部是摩擦電矩陣。摩擦電矩陣配置為6×8通道排列，而氣泡儲(chǔ)罐在矩陣下方按1:1對(duì)應(yīng)排列（圖6b）。摩擦電單元的集成化設(shè)計(jì)顯著提升了氣體通量（圖6c）。在過濾性能保持穩(wěn)定的前提下，這款48通道裝置可適配多種氣體流量工況，最大處理風(fēng)量可達(dá)12 L/min（圖6d）。

圖6e展示了集成摩擦電過濾器在汽車尾氣凈化中的應(yīng)用。過濾器的入口直接連接到車輛排氣口，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)空氣凈化。激活后，廢氣中的高濃度PM2.5迅速降至約3 μg m-3（圖6f），并在多個(gè)PM粒徑組分中觀察到同步降低（圖6g）。這些結(jié)果突出了摩擦電過濾器在高效和連續(xù)廢氣凈化方面的潛力。

文獻(xiàn)信息

Pulsed bubble-induced ultrahigh electrostatic potentials for triboelectric air purification，Nature Sustainability，2026.

https://www.nature.com/articles/s41893-026-01827-6

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