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发布日期：2024-09-30 作者：开博
“动了！”
看到电流表的数字跳动了一下，中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士后（现为首都师范年夜学教师）梁茜放下心来。虽然最初只有几微安的微弱电流，但梁茜确信，以烧毁口罩为原料制造磨擦纳米发机电（TENG）的思绪可行。
两年前，中国科学院纳米能源所王中林院士、蒋涛青年研究员团队最先烧毁口罩材料磨擦发电机能测试，经由过程高压脉冲杀菌和材料改性手艺，他们用44个烧毁口罩，制备出完全的磨擦纳米发机电，在海浪驱动下实现了18.22瓦每立方米的峰值功率密度，并成功点亮LCD屏幕。
近日，相干研究在《进步前辈功能材料》上线。
用烧毁口罩制成的磨擦纳米发机电。受访者供图 ?
从垃圾桶“捡出”的灵感
2022年，梁茜在中国科学院纳米能源所进行博士后研究。
一天，她听到办公楼保洁员埋怨：此刻垃圾真多啊，都是口罩。
她环顾办公室一圈，可不是么：桌上、柜角、垃圾桶里，一次性口罩到处可见。
“我们一向在做TENG相干研究，常常测试分歧材料，看哪一种材料发电结果更好。”梁茜说，“我那时就想，口罩也是一种高份子材料，能不克不及把它用到磨擦纳米发电中来？”
脑壳中冒出如许设法时，梁茜对口罩的领会其实不多。为此她特地查了一下资料，发现口罩的首要材料是聚丙烯（PP）。但在磨擦纳米发机电中，此前多以市售或合成聚合物，如聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚四氟乙烯等为主，很少触及聚丙烯材料。
“由于聚丙烯的‘磨擦电负性’其实不好，但我们仍是想先测一下，看看这类材料到底如何。”梁茜说。
在是研究人员把口罩进行拆解分类，发现此中首要部件是3层聚丙烯纤维薄膜。磨擦纳米发电测试成果显示，3层薄膜都有电流输出。
进一步研究发现，烧毁口罩材料还很多怪异的机能，如杰出的疏水性，具有较高的概况电阻和较年夜的概况积，经由过程磨擦极易发生年夜量静电荷。
“这些特征与TENG材料选择法则不约而合。”梁茜说，“是以我们决议深切研究一下，看能不克不及进行材料改性优化。”
研究团队合影。受访者供图 ?
44个废口罩“造”台发机电
“用烧毁一次性医用口罩为原料制造磨擦纳米发机电，既有用地收受接管口罩材料，下降情况污染，又实现了情况可再生能源的搜集。”中国科学院纳米能源所青年研究员蒋涛告知《中国科学报》。
“废料操纵”的创意虽好，但口罩并不是抱负的发电材料，真正实现起来还良多辣手问题。
口罩利用进程中会遭到污染，有可能感染病毒和口腔细菌。而制成的磨擦纳米发机电要投放在年夜海中利用，假如杀灭病菌不完全，后续可能会带来情况问题。
刚最先，研究人员并未想好用甚么方式杀菌。团队成员刘志荣博士主修生物手艺，对生物材料和器械消毒灭菌很是熟习，她提议尝尝用高电压杀菌。
“高压杀菌经由过程高压情况粉碎微生物细胞布局和功能，实现产物杀菌，在液体食品（酒类、奶类等）杀菌方面的利用已很是成熟”刘志荣说。
“我们自己就研究纳米发电，操控起电来也驾轻就熟。”团队成员韩凯博士说，“更主要的是，高压杀菌不接触口罩薄膜，不会影响薄膜概况描摹。而PP是种‘驻极体’材料，高压杀菌同时还能对它进行‘极化’，晋升它的磨擦起电机能。”
固然制造“脉冲高压”费了一些周折，但团队终究经由过程串连耐高压晶体管等体例，研制出6000伏脉冲高压的消杀装配，顺遂完成了杀菌使命。
旧问题解决了，新问题又相继而至。
磨擦纳米发电器件外壳要求具有必然强度，操纵口罩建造“板材”需要将口罩“支棱”起来。在是，研究人员将十几层口罩叠放一路，经由过程液压机冲压体例增添板材厚度和硬度。但对磨擦纳米发机电的焦点“介电层”来讲，单层口罩薄膜的厚度却过厚。若何将单层口罩薄膜变薄就成为一个新问题。
“单层口罩薄膜其实已很薄了，再将其‘撕’成两三层想起来轻易，但操作起来结果其实不抱负。”梁茜说。
这时候，用液压机冲压“板材”的进程给梁茜新的启迪：假如将单层口罩薄膜放液压机下冲压，是否是就可以将口罩薄膜“压成”抱负的厚度。这个“反其道而行之”的方式公然有用，尝试成果注解，冲压能下降薄膜厚度，显著晋升磨擦纳米发机电的输出机能。
终究，团队用44个烧毁口罩制造出一台磨擦纳米发机电。该发机电为边长7厘米的立方体，内部并联64个发电单位，外形和魔方近似。
今朝，该研究人员经由过程尝试室的“造波装配”，在海浪驱动下实现了18.22瓦每立方米的峰值功率密度，并实现了为LCD屏幕和温度计供电。
九成材料来自口罩
新冠疫情爆发后，烧毁口罩数目飞速增加。有统计阐发指出，2020年全球共出产约520亿个口罩，此中约15.6亿个口罩因处置不善流入海洋。
“固然疫情已曩昔，但大师戴口罩的习惯已构成，一次性医用口罩正慢慢成为人们平常必需品。”梁茜说，“今朝一次性口罩的收受接管方式首要有机械收受接管、化学改性和化学降解。这些方式没有斟酌口罩的布局和材料特征，并且其进程附加值低、能耗高、可控性差。”
“将烧毁材料收受接管操纵与零碳能源转化手艺有机连系起来，可为洁净与可延续的能源供给供给新思绪。”蒋涛说，“是以，该研究有望在年夜范围海洋蓝色能源开辟范畴阐扬主要感化，为双碳方针实现做出进献。”
今朝，基在烧毁口罩的磨擦纳米发电研究还处在尝试室研究阶段。尝试中，单个磨擦纳米发机电已可以点亮温度计、液晶屏幕。假如将多组磨擦纳米发机电并联，有点亮海上航标灯的潜力。
“这类材料（烧毁口罩）的发电机能固然没有到达特殊抱负，但利用烧毁开博体育材料的造价很是低，同时还解决了一个情况困难。”梁茜说，“今朝，一个磨擦纳米发机电中约90%的材料由收受接管口罩制成。下一步，我们斟酌将口罩中的金属‘鼻梁条’制成电极、电线等，进一步提高口罩的收受接管操纵率。”
相干论文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202409422
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