空氣負(fù)離子被稱為空氣“維他命”，是一種電遷移率在1-2 cm² V^-1 S^-1的小離子。就目前的科學(xué)研究表明，他們對空氣中PM物質(zhì)的凈化，有害有機(jī)物的分解，以及細(xì)菌的抑制均具有重要的作用。除了自然界中在深林，瀑布和暴雨時(shí)產(chǎn)生的大量空氣負(fù)離子，人們利用電弧放電，熱電子發(fā)射，光激發(fā)等方式也可以制造出產(chǎn)生空氣負(fù)離子的機(jī)器。在這些原理中，通過在細(xì)針尖電極施加高壓的方式來離子化空氣的空氣負(fù)離子產(chǎn)生器已經(jīng)大量的應(yīng)用到我們的日常生活中。然而對于該類型的空氣負(fù)離子發(fā)生器，需要電壓倍增電路模塊來產(chǎn)生高壓，這在電路上相對復(fù)雜，整個(gè)體積較大，且在沒有保護(hù)電路的情況下具有一定的安全問題。這很大程度上限制了高壓型負(fù)離子發(fā)生器的應(yīng)用多樣性。近些年，人們開發(fā)出在壓力作用下，利用鐵電晶體材料釋放的空氣負(fù)離子產(chǎn)生器豐富了其應(yīng)用場景。然而該類型空氣負(fù)離子發(fā)生器在力的作用下產(chǎn)生的空氣離子量非常低，且對于力的施加形式也有很大的限制。 

基于摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的摩擦納米發(fā)電技術(shù)，可以將環(huán)境中各種形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，且器件具有輕質(zhì)，柔性，易于制作，材料選擇性多樣等特點(diǎn)。摩擦納米發(fā)電機(jī)無需任何復(fù)雜轉(zhuǎn)化電路，就可以產(chǎn)生超過10 KV的高壓，且具有傳統(tǒng)高壓電源無可比擬的便攜性和安全性，這將無疑大大簡化空氣負(fù)離子產(chǎn)生系統(tǒng)從而降低成本。在之前的工作中，利用摩擦納米發(fā)電機(jī)的高壓特性，科學(xué)家們成功實(shí)現(xiàn)了諸如納庫量級的電噴霧，電紡，電子場發(fā)射以及微等離子體的產(chǎn)生。因此結(jié)合摩擦納米發(fā)電技術(shù)的這些特性和優(yōu)勢，采用其驅(qū)動(dòng)空氣負(fù)離子的產(chǎn)生將會豐富現(xiàn)有空氣負(fù)離子發(fā)生器的一種簡單可行的方案。 

近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所、重慶大學(xué)以及臺灣暨南大學(xué)首次提出了一種機(jī)械力驅(qū)動(dòng)的摩擦電空氣負(fù)離子發(fā)生器?？蒲腥藛T分別對獨(dú)立摩擦層模式和接觸分離模式的摩擦納米發(fā)電器件進(jìn)行了測試研究，并采用質(zhì)譜檢測和V-Q圖對負(fù)離子的產(chǎn)生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論上的分析。利用摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)碳纖維，摩擦納米發(fā)電器件中97%的輸出電荷均可以有效的轉(zhuǎn)化為空氣負(fù)離子。對于一個(gè)手掌大小的摩擦納米發(fā)電器件，在一個(gè)滑動(dòng)周期中，實(shí)際測試產(chǎn)生了約2x10¹³個(gè)數(shù)量巨大的空氣負(fù)離子。采用所述摩擦電空氣負(fù)離子產(chǎn)生器，在一個(gè)約5100 cm³的腔體內(nèi)，0.25 Hz的滑動(dòng)頻率下，PM 2.5可以從999 ug m^-3的數(shù)值在80 s內(nèi)快速降至0 ug m^-3.該摩擦電空氣負(fù)離子產(chǎn)生器將會對現(xiàn)有空氣負(fù)離子發(fā)生器起到補(bǔ)充以及豐富其應(yīng)用多樣性的作用。相關(guān)成果以“A Highly Efficient Triboelectric Negative Air Ion Generator”為題發(fā)表在最新一期的Nature Sustainability上 (https://doi.org/10.1038/s41893-020-00628-9 )。 

圖1.摩擦電空氣負(fù)離子產(chǎn)生器的原型.a,器件結(jié)構(gòu).b,空氣離子計(jì)數(shù)器測試.c,質(zhì)譜測試.

圖2.摩擦電空氣負(fù)離子產(chǎn)生器的性能.a,獨(dú)立摩擦層模式器件的離子產(chǎn)生量.b,接觸分離模式器件的離子產(chǎn)生量.c,單周期內(nèi)離子產(chǎn)生曲線.d,PM2.5凈化曲線.e,f,空氣PM2.5凈化效果.