综述：基于摩擦电纳米发电机的空气过滤技术研究进展

这篇综述系统阐述了摩擦电纳米发电机(TENG)在空气过滤(TAF)领域的创新应用，重点探讨了通过提升能量收集效率(EHE)、优化能量传递效率(ETE)和结构设计来增强PM2.5/PM0.3过滤性能的机制，揭示了自供电抗菌、智能监测与可穿戴特性的协同作用，为下一代智能空气净化技术发展提供了理论框架。

　　

摩擦电纳米发电机驱动的空气净化革命

空气污染与健康危机

全球约80%人口暴露于空气污染中，细颗粒物(PM_2.5)可深入肺泡引发心血管疾病和癌症。世界卫生组织数据显示，空气污染每年导致630万人死亡，COVID-19疫情更凸显了高效空气过滤的紧迫性。传统纤维过滤器面临亚微米颗粒捕获效率低、气流阻力高的瓶颈，而静电沉积技术存在臭氧污染风险。

TENG的过滤增强机制

基于接触起电和静电感应原理，TENG通过四种工作模式产生千伏级开路电压：接触分离、横向滑动、单电极和独立层模式。其核心优势在于将机械能转化为静电场，使颗粒物带电并通过库仑力捕获，PM_0.3过滤效率提升达12倍。关键性能指标——品质因数(QF)综合评估过滤效率(η)与压降(ΔP)的平衡：

QF=ΔP?ln(1?η)

材料工程突破

• 物理改性：电纺PAN/PS异质纤维通过Maxwell-Wagner界面极化效应，使输出电压达8V，PM_0.3效率>94%

• 化学修饰：三甲氧基氟硅烷(THS)接枝纤维素气凝胶获得143.8°疏水角，在95%湿度下保持PM₁ 99.93%捕获率

• 离子液体掺杂：MF海绵负载离子液体-聚合物复合材料，3V电场下PM过滤效率从35%跃升至93%

结构创新典范

旋转式TENG通过多电极设计将位移距离(D_e)扩大3倍，输出21kV电压驱动碳纤维负离子发生器，187秒内使PM_2.5从999μg/m³降至0。仿生特斯拉阀结构结合ZnO纳米棒，同步降解97%甲苯并将PM_2.5降至42μg/m³。

智能应用前沿

• 呼吸监测：PLA基口罩通过1D-CNN算法识别咳嗽/呼吸急促等9种模式，准确率96.7%

• 自灭菌设计：Ag-TiO₂/PVDF纤维在近红外照射下释放Zn²⁺和活性氧(ROS)，实现100%微生物灭活

• 车用净化：PTFE振动TENG集成尾气管，持续50小时保持PM_2.5 95.5%过滤效率

挑战与展望

当前TAF技术面临湿度敏感(>90%RH性能衰减)、成本控制(单口罩$1.88)和工业转化等瓶颈。未来将聚焦机器学习优化过滤参数、生物可降解材料开发，以及AI驱动的自适应过滤系统，推动实验室成果向商业化应用转化。

这项技术革命正从个人防护扩展到工业治理，通过能量-物质协同调控策略，为构建清洁人居环境提供创新解决方案。