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近年来，颗粒物（PMs）造成的空气污染问题日益严峻，用于防止病毒传播和保护人类健康的保健产品，特别是可穿戴智能口罩的需求不断增加。因此，设计一种可佩戴的智能口罩非常重要，它可以在过滤固体颗粒物的同时监测佩戴者的呼吸状态。然而，复杂笨重的设备难以随身携带和实时监测，用户体验不舒适、需要外加电源等因素限制了其在家庭和个人医疗中的广泛应用。同时，PMs容易进入呼吸系统，特别是亚微米颗粒物（直径小于1.0 μm）对公众的危害极大。因此，迫切需要开发一种更简单、更便携的自供电医疗产品，同时具备呼吸监测和颗粒物过滤功能来监测和保护人们的身体健康。
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近日，聂双喜教授团队设计了一种透气、高效过滤亚微米颗粒物和具有呼吸监测能力的自供电空气过滤器。首先，在纤维素气凝胶上原位合成导电金属有机骨架（Ni-HITP）制备纤维素气凝胶/Ni-HITP（CA/Ni-HITP）复合材料。然后，将CA/Ni-HITP与PVDF膜构建了呼吸驱动摩擦电纳米发电机（R-TENG），进一步设计了自供电空气过滤器。基于传统的物理过滤机制和静电吸附机制，自供电空气过滤器去除PM1.0、PM0.5和PM0.3的效率分别为98.4%、97.3%和95.0%，同时保持86 Pa较低的压降。所制备的自供电空气过滤器在过滤亚微米颗粒物的同时还可以根据频率和强度的不同实时监测佩戴者的呼吸状态。该自供电空气过滤器在人类健康、自供电医疗产品和大气污染物去除等方面提供了更多潜在应用。该研究成果以题为“Air-permeable cellulosic triboelectric materials for self-powered healthcare products”在《Nano Energy》上发表，第一作者为广西大学轻工与食品工程学院硕士生付秋，聂双喜教授为本论文的通讯作者。![]()
大多数植物如木材、竹子和棉花含有三种主要成分，纤维素、木质素和半纤维素，其中，纤维素易于溶解，可用于CA的制备。因此，采用溶解、交联、再生的方法得到纤维素水凝胶，再通过简单的冷冻干燥技术得到三维CA骨架。随后在CA上原位合成了Ni-HITP，得到了具有良好导电性的CA/Ni-HITP复合材料。分别采用元素分析、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪和原子力显微镜等对CA/Ni-HITP复合材料的物理化学性质进行探究。![]()
所制备的自供电空气过滤器在去除亚微米颗粒物时具有较好的效果。与CA、CA/Ni-HITP、CA/Ni-HITP+PVDF和普通商用口罩相比，自供电空气过滤器对亚微米颗粒物(PM0.3、PM0.5、PM1.0)的去除效率最高，对PM1.0、PM0.5和PM0.3的去除效率分别为98.4%、97.3%和95.0%。此外，还进一步探讨了自供电空气过滤器在呼吸监测中的应用前景。自供电空气过滤器与数字万用表连接后并通过无线的方式将数据传输到手机端，可以在手机上检测到实时的信号。因此该自供电空气过滤器能够通过一些呼吸指标监测佩戴者的呼吸状态。![]()
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总结：综上所述，本研究通过在CA上原位生长Ni-HITP制备导电CA/Ni-HITP复合材料，并与PVDF膜构建了R-TENG，设计了一种基于R-TENG的可穿戴自供电空气过滤器。同时，对自供电空气过滤器对亚微米颗粒物的过滤性能和过滤机理进行了分析。采用传统机械拦截和强化静电吸附相结合的方式，自供电空气过滤器对PM1.0和PM0.5的去除效率分别达到98.4%和97.3%，对PM0.3的去除效率高达95.0%。同时，过滤器的多孔结构使其在过滤时具有86 Pa的低压降。此外，该自供电空气过滤器在过滤亚微米颗粒物的同时，还可以根据频率和强度的不同实时监测佩戴者的呼吸状态。因此，基于R-TENG的自供电空气过滤器在人类身体健康、自供电医疗产品和大气污染物去除等方面具有更多潜在的应用。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107739
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