空氣負離子（NAI）被稱為「空氣維生素」，它們廣泛用於室內空氣淨化，包括去除空氣中的顆粒物、對揮發性有機化合物進行氧化分解和抑菌。除了從森林、瀑布和暴雨等自然來源外，目前還開發了基於電暈放電、熱離子電子發射、光激發和勒納效應的納米空氣負離子發生器。儘管如此，使用升壓電路模塊通常為針狀電極，並為此產生高電壓，但該模塊存在許多缺點，例如電路複雜、尺寸笨重和危險，很大程度上限制了現有電暈NAI應用的多樣性發展。為尋求替代產品，水和熱釋電晶體之間的反應生成NAI或通過機械壓力從混合的熱釋電化合物中釋放NAIs。然而，這些方法產生的NAI濃度較低，無法滿足當今人們的需求。
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林教授以及臺灣省暨南大學Vincent K. S. Hsiao教授課題組在摩擦電空氣負離子發生器（MSNG）方面取得重要進展。作者首先分別對獨立摩擦層模式和接觸分離模式的摩擦納米發電器件進行了系統地測試研究，並通過質譜檢測對負離子的產生進行了實驗和產生機理上的分析。然後，利用摩擦納米發電機驅動碳纖維，摩擦納米發電器件中97 %的輸出電荷均可以有效的轉化為空氣負離子。在實驗中發現，摩擦納米發電機在一個滑動周期中，實際測試產生了約2x1013個數量的空氣負離子。值得注意的是，在一個約5100 cm3的腔體內，0.25 Hz的滑動頻率下，PM 2.5在80 s內可以從999 ug m-3快速降至0 ug m-3。該工作以標題「A highly efficient triboelectric negative air ion generator」 發表於國際重要期刊Nature Sustainability上。文章的通訊作者為中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林教授以及臺灣省暨南大學Vincent K. S. Hsiao教授。
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電暈放電是一種廣泛用於研製人工NAI發生器的機制。作者開發了一種高電壓的可攜式碳纖維發生器。摩擦電空氣負離子發生器是一種結構簡單且高度集成的器件，主要由TENG元件、高壓整流電路模塊和碳纖維陣列電極組成。直徑為10μm的電極促進了空氣電離的局部高電場的形成。為了產生更高的輸出電壓，對TENG摩擦層的表面進行蝕刻以形成納米結構。在器件原型中，觸點分離式摩擦納米發電機(CS-TENG)將垂直機械運動（例如，振動、踩踏和敲擊）轉化為電能，以驅動碳電極尖端的NAI發電。此外，通過將CS-TENG替換為自由式摩擦納米發電機(FS-TENG)來轉換水平運動（例如，滑動和旋轉），MSNG還可以作為可攜式設備，通過從生物力學輸入、風和水流中收集能量來持續產生NAI。當合併的TENG器件運行時，NAI密度從0急劇上升到120×106個離子每立方釐米，這證明了我們基於TENG的NAI發生器的有效性。此外，生成的NAI物種通過質譜進一步鑑定。通過質譜成功地檢測到了與（H2O）n離子結合的O−、O2−、O3−、O3−、CO4−、NO2−、NO3−、OH-和HCO3−與（H2O）n離子結合。
由於商業化空氣離子計數器的採樣率太低，無法準確測量產生離子的總量，因此作者設計了一個用於定量監測NAIs的測試平臺。碳纖維電極固定在兩側開口的玻璃室中，一側安裝風扇，另一側使用導電銀織物密封。在操作TENG裝置時，風機將產生的NAI推向緻密導電的銀織物，該織物收集通過安培計或庫侖計的空氣中的大部分帶電離子。利用該測試平臺，記錄了不同直流負電壓下收集的離子產生的平均電流。觀察到類似二極體的整流曲線，當電壓超過−2000 V時，電流急劇增加，這表明碳纖維電極有效生成NAI。對於FS-TENG，由於其恆定電容，正向和反向運動步進的電壓輸出均達到11 kV。另一方面，由於CS-TENG中兩個電極的電容變化，每個分離電壓達到5000 V，每個接觸電壓僅為800 V。此外，對於FS-TENG和CS-TENG，每個工作步驟的短路電荷轉移量達到~1.7 μC和~0.35 μC。所有這些結果都清楚地表明，基於TENG的高壓電源完全可以滿足空氣電離的要求。
建立的電壓（V）與總轉移電荷（Q）的關係圖決定了TENG器件的工作狀態，通常被用於分析和優化TENG的工作過程。通過實驗已證實，TENGs不能超過其最大輸出周期工作。在此，作者設計了開關控制過程，以最大限度地使用FS-和CS-TENGs進行輸出。為了簡化起見，作者假設當電壓低於閾值電壓時不會發生電離現象，而在閾值電壓及以上形成大量離子。因此，產生的NAI相當於這一時期TENG的總電荷轉移。值得注意的是，在這種反向/接觸過程中，與TENG電極的電氣連接應顛倒，以確保碳電極上始終存在負電位。對於CS-TENG，在分離和接觸過程中分別測量和計算了250 nC（相當於1.5×1012個離子）和0 nC的NAI短路轉移電荷，其電子-離子轉換效率分別為70 %和0 %。上述結果和分析有效地證明了摩擦電空氣負離子發生器的高效性。
機械開關和反向電路連接不適用於從自然機械能產生可持續的NAI。在這項研究中，高壓整流電路被整合到摩擦電空氣負離子發生器中，以確保碳纖維電極在每個工作循環中的負電位，同時驅動高能電子進行空氣電離。值得注意的是，電路的正極節點應始終接地，以提供連續的電子，而TENG的功能是向碳纖維電極區域輸送電子。在實際應用中，整流電路中各二極體元件的反向電壓限制了碳電極的最大電位，這可能會顯著影響NAI的生產率。最後，作者將煙霧注入系統後，PM 2.5水平急劇上升至過載水平（999 μg m−3），在靜止條件下的試驗期間保持恆定。相比之下，當FS-TENG以0.25 Hz的頻率運行時，pm2.5在80秒內迅速下降到0 μg m−3。說明了摩擦電空氣負離子發生器的高效空氣淨化能力及其在大幅度提高工業可持續性和保護環境方面的潛在應用。
綜上所述，作者展示了一種電暈型摩擦電空氣負離子發生器，它主要利用了TENG原理和碳纖維電極的高輸出電壓作用。利用空氣離子計數器和質譜儀對摩擦電空氣負離子發生器產生的NAI進行了定量分析。為了證明摩擦電空氣負離子發生器去除PM2.5的能力，一個手掌大小的裝置在一次滑動運動中產生了1×1013個NAI，在一個約5100 cm3的腔體內，0.25 Hz的滑動頻率下，PM 2.5可以從999 ug m-3在80 s內快速降至0 ug m-3。納米發電機的優點，包括其便攜性、材料多樣性和低成本等優勢。以上清楚地表明，該工作為推進可持續社會奠定了良好基礎。
原文連結：https://www.nature.com/articles/s41893-020-00628-9