華中科大黃亮ACS Nano：陷阱誘導富電荷全氟駐極體納米纖維用于可重復利用多功健康管理口罩

【引言】

吸入含有大量病毒（如COVID-19）、細菌、顆粒物（PM）的被污染空氣可引起病毒感染、呼吸道疾病、心血管疾病，甚至癌癥，對人類健康構成巨大威脅。超細PM，尤其是PM_0.3，會對人體造成較嚴重的傷害，并攜帶各種病毒，更應引起人們的關注。為了降低健康風險，穿戴式過濾器和可穿戴式健康監測設備已被廣泛應用于過濾空氣中污染和早期疾病預測。傳統用于過濾病毒和PMs的纖維型過濾材料主要依靠機械捕捉機制（主要包括布朗運動、擴散效應和攔截效應）。通常情況下，這些纖維材料的壓降較大，對0.3μm左右的超細顆粒物的過濾效率不高，限制了空氣過濾器的性能提升。相比之下，駐極體空氣過濾器，如駐極體電紡納米纖維膜、駐極體熔噴纖維膜等，可以充分利用靜電沉積效應解決上述問題。然而，普通駐極體空氣過濾器在高溫高濕條件下不穩定，導致工作穩定性差，且消毒后不能重復使用。因此，開發在惡劣條件下具有更強的電荷存儲能力和高電荷穩定性的駐極體材料，是獲得高性能空氣過濾器比較有前途的方法。另一方面，實時監測吸入污染空氣引起的呼吸道疾病，通常可以通過基于壓阻或電容機制的可穿戴式健康監測設備來實現。但是，這些設備通常需要由電池或電容供電，因此復雜且昂貴。能夠存儲真實電荷或偶極電荷的駐極材料可以構建成納米發電機（NG），提供了一種將機械能轉化為電能的有效方法。具體來說，全氟聚合物作為制造NG的典型單電荷駐極體材料，被廣泛用于構建自驅動的健康監測設備。然而，全氟駐極體材料的電荷存儲能力和環境穩定性有待進一步提高，以滿足實際應用的要求。一般來說，駐極體材料的電荷存儲能力依賴于電荷陷阱的數量，而電荷陷阱主要存在于分子鏈上（尤其是高鏈對稱性和強電負性基團的存在）、相鄰分子之間或晶區-非晶區界面上。由此可見，晶區和非晶區的界面對增強駐極體材料的電荷存儲能力具有重要作用。因此，構建晶區和非晶區之間的界面以獲得富含大量電荷且環境穩定的全氟駐極體材料是一種有效的策略。

【成果簡介】

近日，華中科技大學黃亮博士研發了一種陷阱誘導的高單電荷密度的復合全氟駐極體納米纖維膜（HPFM），用于高效過濾超細PM_0.3，其過濾效率高達99.712%，且具有低壓降差（38.1 Pa）和高品質因子（0.154 Pa^-1）。此外，通過集成基于HPFM的納米發電機，構建了一種可循環使用的多功能健康管理口罩，同時實現了高效過濾PM_0.3和無線實時人體呼吸監測。更重要的是，該口罩即使在100 %RH濕度和92 ℃溫度條件下放置48小時后，性能仍然比較穩定，這表明其可在消毒后重復使用。制備HPFM的策略提供了一種獲得富含大量電荷且環境穩定的駐極材料的方法，多功能口罩的構建證明了其在健康防護和健康監測設備中的潛在應用。該成果以題為“Trap-Induced Dense Monocharged Perfluorinated Electret Nanofibers for Recyclable Multifunctional Healthcare Mask”發表在了ACS Nano上，本文的第一作者為博士生林詩哲。

【圖文導讀】

圖1 HPFM的形貌和結構

（a）HPFM合成工藝示意圖。

（b）HPFM的數碼照片。

（c）HPFM-PEO和（d）HPFM的HPFM SEM圖像的數碼照片。

（e）FFM、PFM和HPFM的FTIR光譜。插圖是放大的圖像。

圖2 HPFM的電荷存儲機制

（a）HPFM電荷存儲機制的示意圖。

（b）HPFM中氟原子捕獲的電子。

（c）低結晶度FEP和高結晶度PTFE之間的界面捕獲的電子。

（d）表面電勢隨時間變化。

（e）TSD曲線。

（f）FFM、PFM和HPFM納米纖維的KPFM圖像。

圖3 HPFM的過濾性能

在氣流面速度約為5.33 cm/s的一系列克重下，FFM、PFM和HPFM（a，c）的PM_0.3過濾效率、壓差和品質因子（QFs）；在氣流面速度為5.33 ~ 16.00 cm/s的一系列克重下，（b，d）的PM_0.3過濾效率、壓差和品質因子（QFs）。測試中使用的粒子為PM_0.3。

圖4 健康管理口罩的結構和過濾性能

（a）健康管理口罩的結構和工作機制示意圖。

（b）健康管理口罩的數碼照片。

（c，d）相對濕度為100 % RH、不同溫度、氣流面速度約為5.33 cm/s的健康管理口罩在48 h內(c)PM_0.3過濾效率和（d）品質因子變化趨勢。

圖5 健康管理口罩的健康監測性能

（a，c）呼吸的初始信號（b，d）在移動電話上顯示的實時呼吸信號、呼吸頻率和呼吸過速消息的照片；測試人是一位28歲健康男性，測試狀態分別為充分消息后和劇烈運動后。

（e）口罩在相對濕度為100% RH、溫度為92℃條件下存放不同時間后，同一人靜止狀態下測試的初始呼吸信號，以及（f）相應歸一化的平均峰值電流。

【小結】

綜上所述，團隊報道了一種在低結晶度FEP和高結晶度PTFE之間具有納米級界面的HPFM。此HPFM含有大量的真實電荷，PM_0.3過濾效率為99.712%，壓差為38.1 Pa，品質因子為0.154 Pa^-1。此外，用HPFM組裝而成的多功健康管理口罩可作為高效的PM_0.3過濾器和自驅動傳感器，在高溫高濕環境下實現高效過濾并同時監測人體的呼吸信息。這種可規模化的HPFM具有極高且穩定的真實電荷存儲能力，實際應用潛力巨大。

文獻鏈接：Trap-Induced Dense Monocharged Perfluorinated Electret Nanofibers for Recyclable Multifunctional Healthcare Mask（ACS Nano，2021，DOI:10.1021/acsnano.1c00238）

本文由木文韜翻譯整理。

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