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成果介绍
去除空气中的颗粒物（PM）对改善空气质量、保障人体健康具有重要意义。水系滤网空气净化技术因其优异的颗粒物净化效率与抗堵塞性能，受到了广泛关注。然而，现有水系滤网仍依赖颗粒物的无规则热运动，限制了其应用潜力。将静电吸附与水系滤网相结合，可突破这一局限，并强化气-液界面传质过程。
广西大学聂双喜教授等人设计了一种融合气泡栅控与导流板的摩擦电空气过滤器，利用气泡诱导产生的静电势实现快速空气净化。气泡聚集与瞬时脉冲可在水相中产生高达-3.3 kV的静电势。原位产生的静电力可在气泡内部高效捕获颗粒物，对PM1.0的净化效率达95.5%，对PM2.5净化效率最高可达99.8%。通过汽车尾气处理实验，进一步验证了该摩擦电空气过滤器的实际应用价值。综上，本研究为水系滤网高效空气净化提供了一种可行的技术策略。
相关工作以《Pulsed bubble-induced ultrahigh electrostatic potentials for triboelectric air purification》为题在《Nature Sustainability》上发表论文。这也是广西大学首次以第一单位在《NatureSustainability》上发表论文，同时也是唯一通讯单位。
图文介绍
图1 锤头鲨仿生摩擦电过滤器设计理念
锤头鲨的鳃系统具有晶格状鳃耙结构，可在流动阻力极小的条件下实现颗粒物高效捕获；同时其拥有双层上皮组织，能够实现动态气体交换与离子过滤。上述结构共同构成了高效的呼吸界面。受该生物组织结构启发，研究采用二氧化碳激光刻蚀技术，制备出具有类似栅栏结构的气泡栅控器件（图1）。气泡栅可调控气泡释放并产生压缩脉冲，进而实现最优的空气净化性能。
含尘气泡流经液-固界面并脱离界面时，会原位产生静电力，使气泡内的颗粒物被吸附捕获。本文系统研究了含尘气泡中静电吸附机理及颗粒物捕获的关键影响因素。通过调控栅栏结构参数，可精准控制空气净化效率与气体通量。综上，该摩擦电过滤器兼具高效空气净化能力、优异气体通量及工作稳定性，可进一步拓展摩擦电过滤器在可持续、多场景空气净化领域的实际应用范围。
图2 摩擦电式空气净化装置概述
摩擦电过滤器主要由气泡栅控模块与下方储气腔组合构成。图2a为多通道并联式复合装置，气泡释放孔布置于摩擦电过滤器底部。含尘微气泡先在储液腔内聚并形成大气泡；当浮力势能克服气泡栅产生的拉普拉斯压力后，大气泡随即释放并产生瞬时脉冲。空气净化过程如图2b所示，其中颗粒物的静电吸附与界面迁移是核心作用路径。初始阶段，液固接触会引发电子转移。静电吸附过程中，气泡进入介质栅会快速割裂原有液固界面，将其转变为气固界面与气液界面。由此，固体与液体表面产生相反电荷：固体带正电，液体带负电（图2c）。
表面电势测试结果表明，装置内水体静电势为+0.5 kV，介质表面静电势达-3.3 kV（图 2d）。液、固两相的表面电势为带电颗粒物提供定向驱动力，可对气泡所携带的颗粒物实现高效吸附（图 2e）。随后，气泡脱离装置时发生颗粒物界面迁移；颗粒物在随气泡向上运动过程中被水界面捕集分离。此过程中，气固界面重新恢复为液固界面。
这种摩擦静电力本质上是可持续的，完全由气泡的浮力势能驱动，在没有外部电源输入的情况下就地产生。由此产生的静电力显著提高了超细颗粒物的去除效率，PM0.5的去除率提高了563%（图2f）。摩擦电过滤器对PM1.0的净化效率为95.5%，对PM2.5的净化效率高达99.8%。摩擦电液-固界面提供的直接除尘能力超过了大多数固态空气过滤介质，与几种新兴的空气净化技术相媲美（图2g）。
图3 摩擦电过滤器的工作原理与性能优化
静电力是经典颗粒过滤理论中的一个关键机制，对直径小于1 μm的亚微米颗粒具有显著的影响。对于带电的PM，静电力遵循库仑定律，与粒子与带电表面之间的距离成反比。在我们的实验中，通过调整栅极的间距来调制带电PM与介电表面之间的平均距离（图3a）。与库仑定律一致，减小间距可以提高PM的过滤效率，特别是对于PM1.0和PM0.5等超细颗粒（图3b）。随着诱导距离的减小，介质的表面电位显著增加（图3c），较小的间距促进摩擦电界面上更有效的气-固界面吸附。然而，当板间间距减小到0.4 mm时，介质门控会产生大量的拉普拉斯压力。这会阻碍气泡通过并导致明显的气泡保留，最终损害设备性能。
摩擦电过滤器中的介电层由聚全氟乙丙烯（FEP）构成，该材料是一种极具应用前景的驻极体材料，以高电荷储存能力和优异稳定性著称。图3d描述了FEP 薄膜表面电势在多次循环工作过程中的变化规律。经过大约350次连续气泡冲刷后，FEP的表面电位逐渐增加并稳定在-3.3 kV。同时监测的空气净化性能显示出相应的趋势（图3e）。FEP的面积和几何形状不影响最大累积表面电位，表明这种表面电荷积累是材料的固有特性。
图3f说明了摩擦电过滤器快速处理含尘气体的潜力。采用相同浓度的烟雾，比较了静态、纯水（无摩擦电效应）和摩擦电过滤三种条件下的净化性能。大约360 s后，经过摩擦电装置处理的容器变得几乎透明，而静态条件下仍然含有浓烟。与纯水条件相比，摩擦电装置的除烟效果明显优于纯水条件，这与摩擦电装置的高效过滤性能一致（图2f）。对容器内颗粒物浓度的连续监测表明，摩擦电装置迅速将浓度从超过999 μg m-3降低到45 μg m-3（图3g），而静态和水条件下保持相对较高的颗粒物浓度。
图4 摩擦电界面静电吸附特性表征
图4a描绘了摩擦电液-固界面的电荷分布示意图。在接触区域内，电子在液体和固体之间传递，产生相等但相反的电荷。脉冲气泡穿透并分离带电的液固界面，形成有利于PM吸附的静电场。通过数值模拟进一步研究了脉冲气泡对流体流动和电场分布的影响。脉冲气泡作用下的流场，可以看出液体和气体的流动都形成了从中心向外围发散的对流模式。图4b显示了脉冲气泡条件下的电场分布，在气-液-固三相接触线附近有明显的电场强度峰值，而界面处的远场明显较弱。在更微观的层面上，界面电场强度随着距离三相接触线的距离呈指数衰减，在0.5 mm处产生的静电势比1.0 mm处高3倍。
在模拟流场和电场的基础上，研究了脉冲气泡中PM的运动轨迹（图4c）。在气泡诱导流体动力学的驱动下，PM最初从中央通道向上层水界面迁移，其中中央通道的快速流动与侧面通道的反向流动形成对比。随后，剪切诱导的再循环使颗粒更靠近界面，而电场提供最终的定向驱动力，从而实现颗粒的快速捕获。将FEP固定在反重力方向，发现其表面吸附了大量的PM (SEM)，证实了FEP对PM具有极强的静电吸附能力（图4d）。相反，从FEP表面分离后获得正电荷的水更有效地吸附带负电荷的PM。
当PM与水界面接触时，溶液可以捕获亲水性和疏水性颗粒（图4e）。在实验中，亲水颗粒与水界面接触后直接进入液体。虽然疏水粒子不能进入溶液，但它们被水界面成功捕获。除了直接从气相中捕获PM外，水界面还可以去除吸附在固体表面的PM。当气泡离开装置时，这是通过气液固三相接触线的运动发生的。实验表明，无论吸附在FEP表面的PM是亲水性还是疏水性，滑动的水滴都能很容易地带走吸附在FEP表面的PM。
因此，摩擦电界面处的颗粒物吸附过程可以分为三个阶段（图4f）。在静态状态下，液体与固体接触形成双电层。随后，气泡上升并分离液-固界面，产生电场。然后液体和固体表面通过静电力吸附大量的PM。最后，随着气-液-固三相接触线向上移动，水界面收集吸附在FEP表面的PM，使PM有效地转移到液体中。
图5 摩擦电过滤器的通用性与稳定性
空气净化系统在复杂和动态的条件下运行，过滤器经常面临相当大的挑战，如腐蚀或堵塞。提高溶液温度可提高空气净化性能（图5a）。图5b进一步说明了不同化学性质的溶液对空气净化性能的影响。结果表明，与纯水相比，溶液pH的改变和离子浓度的增加会降低过滤效率。离子强度的提高屏蔽了液-固界面的电荷转移位点，这是观察到的空气净化性能下降的基础。FEP具有优异的耐腐蚀和抗污性能。在酸性、碱性甚至盐水溶液中浸泡后，FEP的表面形貌几乎保持不变（图5c）。此外，显微镜和荧光成像证实细菌既不附着在FEP表面也不增殖（图5d）。
如图5e所示，研究了不同含尘气体对过滤器性能的影响。与复杂的溶液系统类似，高水溶性气体会增加离子浓度，降低空气净化性能。而典型N2对过滤效率的影响可以忽略不计。还研究了酸性和碱性气溶胶的影响。它们的吸收改变了溶液的pH值，产生的趋势与在不同pH值的溶液中观察到的趋势相似（图5b）。然而，在几个循环内，性能保持相对稳定。摩擦电过滤器可以适应大范围的气体流速。然而，气体流速是有限制的，因为它必须允许在下一个气泡进入摩擦电界面之前气体完全排出，以确保最佳的空气净化性能。当两个气泡在摩擦电界面共存时，特别是形成“气柱”形状时，它限制了水界面从FEP表面收集PM的能力。因此，增加的气流不可避免地限制了空气净化效率（图5f）。
耐久性和稳定性是评估空气过滤器的关键因素。过滤器具有很强的抗堵塞性，因为电极间隙明显大于PM或絮凝污染物的特征尺寸。即使在大约300 min的连续过滤后，也没有观察到明显的净化性能损失（图5g）。而且，通过简单的换水，过滤器可以在多次污染后恢复其初始的空气净化性能（图5h）。
图6 多通道集成式摩擦电过滤器性能验证
提高气体处理能力对实际应用至关重要。摩擦电过滤器通过局部静电场工作，通过单个单元的复制实现固有的可扩展性。图6a是一个集成的多通道摩擦电滤波器，底部是气泡产生单元，顶部是摩擦电矩阵。摩擦电矩阵配置为6×8通道排列，而气泡储罐在矩阵下方按1:1对应排列（图6b）。摩擦电单元的集成化设计显著提升了气体通量（图6c）。在过滤性能保持稳定的前提下，这款48通道装置可适配多种气体流量工况，最大处理风量可达12 L/min（图6d）。
图6e展示了集成摩擦电过滤器在汽车尾气净化中的应用。过滤器的入口直接连接到车辆排气口，实现实时空气净化。激活后，废气中的高浓度PM2.5迅速降至约3 μg m-3（图6f），并在多个PM粒径组分中观察到同步降低（图6g）。这些结果突出了摩擦电过滤器在高效和连续废气净化方面的潜力。
文献信息
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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