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  對于高效空氣過濾，靜電吸附是機械過濾的重要補充。然而，靜電荷會隨著時間衰減，在潮濕條件下尤其明顯。在此，本文報道了一種自充電空氣過濾（SAF）技術，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，在佩戴者呼吸的激勵下持續產生電荷，以補充口罩過濾層表面靜電荷。依據國際標準 NIOSH 42 CFR 84，在長達 60 小時的測試周期中（包括 30 小時的佩戴時間），該自充電口罩對 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之間的定量關系。該項工作提供了一種延長高性能空氣過濾口罩靜電吸附效力的有效策略。

  佩戴口罩是預防病毒傳播有效且簡便的方法，但口罩長時間使用會導致保護效力的顯著下降，一般需要每天更換。絕大多數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峻的環境挑戰。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，由無數微米纖維隨機交聯組成。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械過濾機制（包括慣性碰撞、攔截、篩分和擴散）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，而呼吸阻力是評價口罩性能的重要指標。靜電吸附可打破高過濾效率和低呼吸阻力之間的矛盾，是機械過濾的重要補充。靜電吸附對口罩整體過濾效率的貢獻可高達 80%。不幸的是，靜電荷會隨著時間的推移而顯著衰減，潮濕條件下尤為明顯，從而導致口罩壽命的大幅縮減。基于此，文本開發了一款基于自充電技術的高效、持久空氣過濾口罩（圖1），通過提高靜電荷水平并延長電荷保留時間大大延長口罩的使用壽命。

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了對細小顆粒的吸附能力。

圖2 表面電勢與過濾效率之間的定量關系。 a 在不同表面電勢下，對于0.3 μm 至 10 μm 顆粒的分級過濾效率。b 20% 和 50% 相對濕度下的靜電勢衰減。

圖3 利用摩擦電效應實現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生機制。c自充電技術提升靜電荷水平。d 過濾效率和壓降的耐久性評估。e與市售口罩的性能對比。

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

  【通訊作者簡介】

  楊征保副教授于2012年獲得哈爾濱工業大學學士學位， 2016年獲得多倫多大學博士學位，現為香港城市大學機械工程學系和材料科學與工程學系副教授。近年來申請了20個中美專利，發表100多篇學術論文，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列為“全球2%科學家”之一。研究方向包括震動和機電一體化，特別聚焦于為能量采集器、傳感器和致動器開發智能結構和動態系統。該跨學科的研究領域需要結合機械設計、電路、智能材料和動態分析方面的知識和技能。更多信息可以訪問Google Scholar 和課題組網站（https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/）以獲取。