基于多尺度纳米纤维过滤器的自供电TENG系统：高效PM0.3过滤与呼吸监测一体化解决方案

推荐 为解决传统空气过滤器在高效拦截PM0.3颗粒时面临的能耗高、气流阻力大的问题，研究人员开发了一种基于PVDF-HFP@PA66/H多尺度纳米纤维膜的自供电TENG空气过滤器。该系统通过物理拦截与静电吸附协同作用，实现了99%以上的过滤效率，同时保持低至48 Pa的压降，并具备实时呼吸监测功能，为智能防护与健康监测提供了创新解决方案。

　　

论文解读
近年来，随着城市化与工业化的快速发展，空气污染问题日益严峻，尤其是PM_0.3等超细颗粒物对人类健康的威胁备受关注。传统空气过滤技术虽能有效去除污染物，但往往因追求高效率而导致气流阻力增加，进而提升能耗。此外，现有过滤系统缺乏智能化功能，难以满足实时健康监测需求。在此背景下，南京林业大学的研究团队提出了一种基于多尺度纳米纤维膜的自供电摩擦纳米发电机（TENG）空气过滤器，旨在通过物理拦截与静电吸附的协同效应，突破传统过滤器的性能瓶颈，并赋予其能量收集与健康监测能力。该研究成果发表于《Green Energy》。

研究方法
研究人员采用静电纺丝技术制备了PA66/HACC复合纳米纤维膜作为正极摩擦层，并通过引入季铵盐阳离子HACC优化纤维的电学性能与孔隙结构。负极摩擦层则选用PVDF-HFP纳米纤维膜，两者结合形成PVDF-HFP@PA66/H TENG空气过滤器。实验通过调节HACC浓度调控纤维直径与表面电荷密度，并利用接触分离机制驱动TENG发电。

结果与讨论
多尺度纳米纤维膜的构建与表征
研究团队通过静电纺丝法制备了具有双尺度结构的PA66/HACC纳米纤维膜，其中纳米纤维直径约73 nm，亚微米纤维直径约123 nm。HACC的引入显著提升了溶液导电率（从3.8 μs·cm^-1增至108.27 μs·cm^-1），并优化了纤维形貌。SEM显示，HACC含量为8 wt%时，纤维膜孔径集中于1.2–2.8 μm，比表面积达22.0385 m²·g^-1，较纯PA66膜提升四倍。

过滤性能与稳定性
TENG空气过滤器在32 L·min^-1风速下对PM_0.3的过滤效率达99.37%，压降仅48 Pa。其质量因子（QF）为0.103 Pa^-1，显著优于商用N95口罩。高湿度测试表明，即使在90%湿度环境下，过滤效率仅下降0.8%，归因于HACC的强电荷吸附能力与疏水性（PVDF-HFP膜接触角150.8°）。

自供电与健康监测功能
TENG通过呼吸驱动实现周期性接触分离，单次呼吸可产生数伏电压信号。实验显示，其输出电压在快速呼吸时达峰值，深呼吸时频率降低但幅值增大，成功区分三种呼吸模式。蓝牙模块可将信号实时传输至移动设备，为远程健康监测提供可能。

长期耐用性验证
经过10次充放电循环后，过滤效率稳定在99%以上，表面电荷可再生。实验表明，HACC掺杂膜在摩擦充电后表面电位可从0 kV恢复至6.14 kV，证实其长效稳定性。

结论
本研究成功开发了一种集高效过滤、自供电与健康监测于一体的TENG空气过滤器。其多尺度纳米纤维结构与双模过滤机制突破了传统过滤器的性能限制，适用于复杂环境下的空气净化与智能防护。该技术为可穿戴健康设备与物联网集成提供了新思路，未来可通过材料优化进一步拓展应用场景。