受鲨鱼启发！广西大学，首篇Nature Sustainability

脉冲气泡诱导超高压静电势实现摩擦电空气净化

近年来，大气颗粒物（PM）污染已成为全球性的环境风险因素，每年导致数百万人过早死亡。统计数据显示，一个成年人平均每天吸入约68,000个颗粒物，相当于每次呼吸有三到四个颗粒物进入体内。超细颗粒物可轻易穿透肺部屏障进入血液循环，最终在体内积累并引发长期复杂的健康问题。到2030年，中国与空气污染相关的医疗费用预计将达到252亿美元，给经济发展和公共健康带来沉重负担。传统的固体空气过滤器容易因颗粒物堵塞而失效，使用寿命有限。尽管水基空气净化技术因其可持续性和抗堵塞性能受到广泛关注，但现有技术仍然依赖颗粒物的随机热运动，限制了其应用潜力。如何突破这一瓶颈，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

针对上述挑战，广西大学王双飞院士、聂双喜教授团队设计了一种结合气泡门控与导流板的摩擦电空气过滤器，利用气泡诱导的静电势实现了快速空气净化。气泡积累与瞬态脉冲可在水环境中产生高达-3.3 kV的静电势，原位生成的静电力能够有效捕获气泡内的颗粒物，对PM₁.₀的净化效率达到95.5%，对PM₂.₅的效率高达99.8%。该装置在汽车尾气处理中也展现出良好的实际应用前景。这项研究为高效水基空气净化提供了可行的新策略。相关成果以题为“Pulsed bubble-induced ultrahigh electrostatic potentials for triboelectric air purification”发表在最新一期《Nature Sustainability》上。

研究团队从锤头鲨的鳃部系统获得灵感。锤头鲨具有栅栏状的鳃耙结构，能够在低流动阻力下高效捕获颗粒物，同时其双层上皮支持动态气体交换和离子过滤，形成了一个高效呼吸界面（图1）。受此生物组织启发，研究者利用CO₂激光雕刻技术制造了类似栅栏结构的气泡门控装置。该装置可调节气泡释放并产生压缩脉冲，当含尘气泡通过并从液-固界面脱离时，原位产生静电力，使气泡内的颗粒物被吸附。通过系统调整栅栏结构参数，可精确控制空气净化效率和气体通量。

图1 | 锤头鲨鳃部结构及摩擦电过滤器的结构与工作原理。

摩擦电过滤装置的核心组件包括气泡门控模块和底部储气室。研究观察到，含尘微气泡先在储气室中聚结成大气泡，当浮力势能超过气泡门控施加的拉普拉斯压力时，气泡会在78毫秒内瞬间释放并产生脉冲（图2a）。脉冲气泡的最大速度达到1.3米/秒，比普通气泡快数十倍。研究发现，快速的气泡滑动可增强液-固接触起电性能，液-固界面的迅速分离抑制了介电表面的残余离子，使跨界面电子转移更加高效，从而解释了脉冲气泡卓越电学性能的物理机制。

在空气净化过程中，静电吸附和颗粒物的界面转移构成了关键路径（图2b）。气泡进入介电门控后，原始液-固界面转变为气-固和气-液界面，固体表面带正电，液体表面带负电（图2c）。表面电位测量显示，水的静电势为+0.5 kV，介电表面的静电势为-3.3 kV（图2d）。这一定向驱动力使气泡携带的带电颗粒物被高效吸附（图2e）。实验表明，这种摩擦电静电力使PM₀.₅的去除效率提高了563%，对PM₁.₀的净化效率达到95.5%，对PM₂.₅的效率高达99.8%，超越了大部分固态空气过滤介质，与多种新兴空气净化技术相当（图2f、2g）。

图2 | 摩擦电空气净化装置概览。 a. 仿生空气净化装置照片。b. 气泡驱动空气净化示意图。c. 空气净化过程中含尘气泡内静电吸附机制的示意图。d. 水和固体介质的表面静电势。每个点代表一个单独的数据点（n=6），条形表示平均值。e. 净化过程中含尘气泡的照片。f. 摩擦电过滤器的空气净化效率。数据以平均值±标准差表示，来自至少四次独立实验（n≥4）。g. 与其他过滤器/技术的空气净化效率比较。

通过对门控间距的调节，研究者验证了库仑定律的适用性：间距减小可提高颗粒物过滤效率，尤其是对PM₁.₀和PM₀.₅等超细颗粒物（图3a、3b）。当间距缩小到0.4毫米时，介电门控会诱导较大的拉普拉斯压力，阻碍气泡通过（图3c）。研究确认0.5毫米的板间距可使脉冲气泡达到最大压缩体积和移动速度，实现最优性能。装置尺寸方面，宽度30毫米、高度110毫米时效率最高。

摩擦电过滤器的介电层采用氟化乙烯丙烯共聚物（FEP），这是一种具有高电荷存储容量和稳定性的驻极体材料。经过约350次连续气泡冲刷后，FEP的表面电位逐渐增加并稳定在-3.3 kV，空气净化性能也呈现相应趋势（图3d）。FEP的面积和几何形状不影响最大累积表面电位，表明这一表面电荷积累是材料的固有特性。FEP表面的电荷可维持数小时，并能够反复放电和重新累积至饱和状态。即使在数千次循环后，FEP表面也未发现电离或腐蚀痕迹，空气净化效率在后续数百次操作周期中保持稳定。在对比实验中，静态条件、纯水条件（无摩擦电效应）和摩擦电过滤三种条件下，摩擦电装置处理的容器在约360秒后几乎变得清澈，而静态条件下仍含有浓密烟雾，展示了该装置快速去除严重雾霾的潜力。

图3 | 摩擦电过滤器的工作原理与性能优化。 a，门控间距对气泡压缩和空气净化性能的影响。b，门控间距对空气净化效率的影响。数据以平均值±标准差表示，来自至少四次独立实验（n ≥ 4）。c，距离对介电质表面静电势的影响。数据以平均值±标准差表示，来自至少四次独立实验（n ≥ 4）。d，介电质表面电势在操作周期中的演变。数据以平均值±标准差表示，来自至少三次独立实验（n ≥ 3）。e，操作周期中的空气净化效率。插图为处理前后含尘气泡的照片，比例尺为1 mm。数据以平均值±标准差表示，来自至少三次独立实验（n ≥ 3）。f，摩擦电过滤器运行期间的照片。g，摩擦电过滤器的空气净化性能。

通过数值模拟，研究者进一步揭示了脉冲气泡对流场和电场分布的影响。在脉冲气泡作用下，液体和气体各自形成从中心向外发散的对流模式（图4a）。电场分布在气-液-固三相接触线附近出现明显的场强峰值，而界面远场处明显较弱（图4b）。在更微观的层面上，界面电场强度随距三相接触线距离的增加呈指数衰减，0.5毫米处产生的静电势比1.0毫米处高出三倍。颗粒物在脉冲气泡内的运动轨迹分为三个阶段：首先由气泡诱导的流体动力学从中心通道向上部水界面迁移，随后剪切诱导的再循环将颗粒物拉近界面，最后电场提供最终定向驱动力实现快速捕获（图4c）。对于典型的球形碳基颗粒物，重力约为1.28×10⁻⁶ pN，而FEP对带电颗粒物的静电力为2.65 pN，远超重力。扫描电镜证实FEP表面吸附了大量颗粒物（图4d）。当颗粒物与水界面接触时，亲水性颗粒物直接进入液体，疏水性颗粒物虽不能进入溶液，但仍被水界面成功捕获。滑动的水滴可以轻易带走FEP表面静电吸附的颗粒物，无论其亲疏水性如何。

图4 | 摩擦电界面静电吸附的表征。a，摩擦电过滤器中三相界面电荷分布示意图，液-固界面具有电容性双电层（CEDL）。b，表面静电势的模拟结果。c，电场影响下PM颗粒物运动的模拟结果。d，吸附在介电层上的PM颗粒物的SEM图像。该实验独立重复三次，结果相似（n=3）。展示代表性SEM图像。e，光学图像显示水对亲水性和疏水性PM的吸附情况，使用接触角分析仪测量。该实验独立重复三次，结果相似（n=3）。展示代表性图像。f，摩擦电液-固界面静电吸附机制示意图。

在实际复杂工况下，提高溶液温度可增强空气净化性能，这归因于颗粒物热运动加剧和表面张力降低（图5a）。与纯水相比，溶液pH值改变和离子浓度增加会降低过滤效率，因为高离子强度屏蔽了液-固界面的电荷转移位点（图5b）。FEP展现出优异的耐腐蚀性和抗生物污损性能，在酸、碱甚至盐溶液中浸泡后表面形貌几乎不变，细菌在FEP表面既不粘附也不增殖（图5c、5d）。对于不同含尘气体，高水溶性气体因增加离子浓度而降低净化性能，而典型N₂对过滤效率影响甚微（图5e）。该摩擦电过滤器可适应宽范围的气体流速，但当两个气泡共存于摩擦电界面时，会限制水界面从FEP表面收集颗粒物的能力（图5f）。过滤器具有高抗堵塞性，即使在连续过滤约300分钟后也未观察到明显的净化性能损失，通过简单更换水即可恢复初始性能（图5g、5h）。

图5 | 摩擦电过滤器的多功能性与稳定性。a，液体温度对空气净化效率的影响。数据以平均值±标准差表示，来自至少四次独立实验（n ≥ 4）。b，液体类型对空气净化效率的影响。数据以平均值±标准差表示，来自至少四次独立实验（n ≥ 4）。c，FEP表面的SEM图像。该实验独立重复三次，结果相似（n = 3）。展示代表性SEM图像。d，生物污损溶液对FEP的影响，使用荧光显微镜可视化观察。该实验独立重复三次，结果相似（n = 3）。展示代表性图像。e，气体类型对空气净化效率的影响。数据以平均值±标准差表示，来自至少四次独立实验（n ≥ 4）。f，气流速率对空气净化效率的影响。数据以平均值±标准差表示，来自至少四次独立实验（n ≥ 4）。g，摩擦电除尘系统的耐久性。h，重复换水条件下除尘系统的性能。

为提升气体处理能力，研究者开发了模块化矩阵式放大策略，构建了6×8通道配置的集成多通道摩擦电过滤器（图6a），通道数为48个，气泡储罐与矩阵下方一一对应排列（图6b）。在保持过滤性能的前提下，该装置可灵活适应多种气体流速，有效处理高达12升/分钟的气体量（图6c、6d）。在实际汽车尾气净化应用中，过滤器进气口直接连接车辆排气管，激活后尾气中高浓度的PM₂.₅迅速降至约3 μg/m³，各粒径范围的颗粒物均同步减少（图6e、6f、6g）。

图6 | 多通道集成摩擦电过滤器的演示。a，多通道摩擦电过滤装置的照片。b，48通道摩擦电集尘结构的照片。c，单元数量对气体通量的影响。d，不同气体流速下摩擦电过滤装置的照片。e，用于汽车尾气净化的装置照片。插图为摩擦电过滤器净化汽车尾气的照片。f，PM₂.₅浓度的随时间变化。g，多个粒径区间颗粒物的浓度变化。每个点代表一个单独的数据点（n=4），条形表示平均值。

总结而言，这项研究报道了一种摩擦电增强的水基空气净化技术，其机制依赖于脉冲气泡诱导的超高表面静电势。这种源自液-固界面电荷转移的原位静电吸附概念，为摩擦电纳米发电机与空气净化技术的整合提供了新思路。研究者预期，通过合理调节装置结构，可实现净化效率与气流通量之间的平衡，从而促进该技术在高通量空气处理系统中的应用。除了空气净化，气泡介导过程在矿物浮选和生物曝气处理中也发挥着关键作用。受气泡动力学驱动且具备原位发电能力，该摩擦电过滤器有望通过电刺激促进酶活性等方式提升工艺性能。目前该技术仍存在改进空间，通过装置结构优化适配微气泡（直径小于1毫米），可进一步增强空气净化效率；另一策略是开发具有更高电荷保持能力的高性能摩擦电材料。