王中林院士、蒋涛青年研究员团队AFM变废为宝利用废弃一次性医用口罩的TENG用于波浪能收集
近年来，因为呼吸道疾病的高发，人们对康健防护加倍看重，一次性医用口罩（DMM）的使用率仍旧很高。使用过的DMM被丢弃，终极成为塑料污染。今朝塑料的收受接管办法主要有机器收受接管、化学改性和化学降解。这些办法附加值低、能耗高、可控性差，年夜量的塑料污染物经由过程河道排入天下各地的海洋。2020年，至少有15亿只口罩流入海洋，加剧了海洋塑料问题，严重威逼着海洋生物、海洋微生物和海洋食物的平安。是以，必要一种有用的放弃DMM收受接管办法。对付传统的塑料收受接管办法，没有斟酌DMM的布局和资料特征。现实上，DMM中的薄膜具有很多奇特的机能，如优越的疏水性，年夜外面积，高外面电阻，优越的摩擦电机能和显著的静电电荷存储才能。这些特征与摩擦纳米发电机（TENG）的资料选择规矩同等。
今朝，TENG已普遍利用于网络散布式的低频高熵能源，分外是海洋海浪能（蓝色能源）的网络是最紧张的成长偏向之一。然而，今朝报道的年夜多半TENG主要依附于市场售卖或合成的聚合物摩擦资料，如聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚四氟乙烯等。这些TENG的制作本钱相对较高，在使用寿命停止时，其组件将被丢弃到情况中，从而导致额外的污染挑战。针对这些问题，中国科学院北京纳米能源与体系研讨所王中林院士、蒋涛青年研讨员团队将放弃DMM以TENG的情势从新应用，并网络波浪能，在办理塑料污染问题的同时，实现干净和可再生能源的发电。该研讨以“Triboelectric Nanogenerators Using Recycled Disposable Medical Masks for Water Wave Energy Harvesting”为题颁发在《 Advanced Functional Materials》杂志上，文章的第一作者是都城师范年夜学物理系梁茜。
作者专门针对放弃DMM，联合TENG技术提出了一种简单有用的收受接管计划。起首，作者对DMM的各部门进行了拆解和分类，并阐发了各部门布局和资料的特色（图1）。DMM主要部件是3层薄膜，由纤维制成，具有较高的外面电阻和年夜的外面积，薄膜外面摩擦电负性较强，经由过程摩擦作用极易发生年夜量静电荷。
图1 DMM各部门布局和资料的特色
接下来，对收受接管薄膜的杀菌是紧张步调，作者采纳了高压脉冲杀菌技术。高压脉冲杀菌技术是利用于流体食品杀菌的一种先进技术，将其利用于DMM杀菌耗时短、耗能低，不会破坏纤维布局，更紧张的是，高电压在杀菌的同时可以实现薄膜的极化。作者设计了专门的高压脉冲杀菌体系，由3部门构成：高压源、高压脉冲模块以及处置腔（图2）。以人体口腔中常见的金黄葡萄球菌为例，经由过程调控处置参数，杀菌率最高到达91.8%，同时薄膜的外面电势年夜小到达1.6 kV。
图2 高压脉冲杀菌体系的构建及杀菌后果
在杀菌处置的根基上，作者探讨了收受接管薄膜作为TENG摩擦层的利用潜力。以3层薄膜分离构建了4种模式的TENG根本单位，包含打仗-分别模式、程度滑动模式、单电极模式和自力层模式，对照了它们的输出机能（图3）。
图3 以收受接管薄膜为摩擦层的分歧模式TENG对照
为了晋升收受接管薄膜的摩擦机能，作者采纳了外面改性和薄膜减厚的办法。起首，采纳了化学改性办法来调整薄膜外面的身分，现实上，DMM中的PP资料是一种非极性聚合物。依据现有研讨，含氟聚合物已被证实是TENG最抱负的负性摩擦资料，由于氟是电负性最强的元素。为了加强薄膜的摩擦电负性，采纳含氟聚合物1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基三氯硅烷（PFTS）作为外面改性剂，经由过程简单的气相沉积法，可以在PP膜外面形成平均的PFTS层。PFTS分子与PP膜外面纤维的联合比拟慎密，保证了改性膜的优越稳固性。另一方面，作者应用液压机将薄膜的厚度减薄，DMM中的薄膜厚度约为150 μm，比TENG中通常使用的摩擦层更厚。薄膜被液压机压平之后，其厚度降至50 μm，响应地，在打仗状况下，TENG的电容从0.147 nF增长到0.704 nF。分歧办法的晋升后果如图4所示，低落厚度的办法后果更显著。
图4 分歧处置办法对输出机能的影响
末了，作者设计了完备的TENG器件实现海浪能的网络。器件由44个DMM制造而成，整体出现立方体布局，DMM的资料收受接管率到达80.89%，器件重量的93.75%起源于收受接管资料。TENG器件在海浪情况下的功率密度为18.22 W m -3。演示了TENG器件驱动LCD显示屏和数码温度计的利用（图5）。
图5 收受接管薄膜制造的TENG器件机能及利用
作者专门针对放弃DMM，联合TENG技术提出了一种简单有用的收受接管计划。依据DMM的资料和布局特色，对各部件进行了拆卸和分类。设计并制造了一个高压脉冲杀菌体系处置收受接管薄膜，在最佳电压参数下，杀菌率到达91.8%，同时薄膜外面电位进步到1.60 kV。将处置后的薄膜利用为分歧事情模式根本TENG单位的介电层，还引入了外面改性和减小厚度的办法来进步收受接管薄膜的摩擦机能。末了，应用44个放弃DMM制备完备的TENG装配，收受接管率到达80.89%。在海浪驱动下实现了18.22 W m -3的峰值功率密度，并演示TENG为LCD屏幕和温度计供电的利用。在此计划中，作者同时实现了DMM的资料收受接管和海浪能的有用网络，这项事情将轮回经济和新能源开发相联合，对碳中和具有紧张意义。
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