受鯊魚鰓啟發！這所雙一流大學，發表校史首篇唯一單位Nature Sustainability！所有作者均中文署名！

來源：微算云平臺

成果介紹

去除空氣中的顆粒物（PM）對改善空氣質量、保障人體健康具有重要意義。水系濾網空氣凈化技術因其優異的顆粒物凈化效率與抗堵塞性能，受到了廣泛關注。然而，現有水系濾網仍依賴顆粒物的無規則熱運動，限制了其應用潛力。將靜電吸附與水系濾網相結合，可突破這一局限，并強化氣-液界面傳質過程。

廣西大學聶雙喜教授等人設計了一種融合氣泡柵控與導流板的摩擦電空氣過濾器，利用氣泡誘導產生的靜電勢實現快速空氣凈化。氣泡聚集與瞬時脈沖可在水相中產生高達-3.3 kV的靜電勢。原位產生的靜電力可在氣泡內部高效捕獲顆粒物，對PM1.0的凈化效率達95.5%，對PM2.5凈化效率最高可達99.8%。通過汽車尾氣處理實驗，進一步驗證了該摩擦電空氣過濾器的實際應用價值。綜上，本研究為水系濾網高效空氣凈化提供了一種可行的技術策略。

相關工作以《Pulsed bubble-induced ultrahigh electrostatic potentials for triboelectric air purification》為題在《Nature Sustainability》上發表論文。這也是廣西大學首次以第一單位在《NatureSustainability》上發表論文，同時也是唯一通訊單位。

圖文介紹

圖1 錘頭鯊仿生摩擦電過濾器設計理念

錘頭鯊的鰓系統具有晶格狀鰓耙結構，可在流動阻力極小的條件下實現顆粒物高效捕獲；同時其擁有雙層上皮組織，能夠實現動態氣體交換與離子過濾。上述結構共同構成了高效的呼吸界面。受該生物組織結構啟發，研究采用二氧化碳激光刻蝕技術，制備出具有類似柵欄結構的氣泡柵控器件（圖1）。氣泡柵可調控氣泡釋放并產生壓縮脈沖，進而實現最優的空氣凈化性能。

含塵氣泡流經液-固界面并脫離界面時，會原位產生靜電力，使氣泡內的顆粒物被吸附捕獲。本文系統研究了含塵氣泡中靜電吸附機理及顆粒物捕獲的關鍵影響因素。通過調控柵欄結構參數，可精準控制空氣凈化效率與氣體通量。綜上，該摩擦電過濾器兼具高效空氣凈化能力、優異氣體通量及工作穩定性，可進一步拓展摩擦電過濾器在可持續、多場景空氣凈化領域的實際應用范圍。

圖2 摩擦電式空氣凈化裝置概述

摩擦電過濾器主要由氣泡柵控模塊與下方儲氣腔組合構成。圖2a為多通道并聯式復合裝置，氣泡釋放孔布置于摩擦電過濾器底部。含塵微氣泡先在儲液腔內聚并形成大氣泡；當浮力勢能克服氣泡柵產生的拉普拉斯壓力后，大氣泡隨即釋放并產生瞬時脈沖。空氣凈化過程如圖2b所示，其中顆粒物的靜電吸附與界面遷移是核心作用路徑。初始階段，液固接觸會引發電子轉移。靜電吸附過程中，氣泡進入介質柵會快速割裂原有液固界面，將其轉變為氣固界面與氣液界面。由此，固體與液體表面產生相反電荷：固體帶正電，液體帶負電（圖2c）。

表面電勢測試結果表明，裝置內水體靜電勢為+0.5 kV，介質表面靜電勢達-3.3 kV（圖 2d）。液、固兩相的表面電勢為帶電顆粒物提供定向驅動力，可對氣泡所攜帶的顆粒物實現高效吸附（圖 2e）。隨后，氣泡脫離裝置時發生顆粒物界面遷移；顆粒物在隨氣泡向上運動過程中被水界面捕集分離。此過程中，氣固界面重新恢復為液固界面。

這種摩擦靜電力本質上是可持續的，完全由氣泡的浮力勢能驅動，在沒有外部電源輸入的情況下就地產生。由此產生的靜電力顯著提高了超細顆粒物的去除效率，PM0.5的去除率提高了563%（圖2f）。摩擦電過濾器對PM1.0的凈化效率為95.5%，對PM2.5的凈化效率高達99.8%。摩擦電液-固界面提供的直接除塵能力超過了大多數固態空氣過濾介質，與幾種新興的空氣凈化技術相媲美（圖2g）。

圖3 摩擦電過濾器的工作原理與性能優化

靜電力是經典顆粒過濾理論中的一個關鍵機制，對直徑小于1 μm的亞微米顆粒具有顯著的影響。對于帶電的PM，靜電力遵循庫侖定律，與粒子與帶電表面之間的距離成反比。在我們的實驗中，通過調整柵極的間距來調制帶電PM與介電表面之間的平均距離（圖3a）。與庫侖定律一致，減小間距可以提高PM的過濾效率，特別是對于PM1.0和PM0.5等超細顆粒（圖3b）。隨著誘導距離的減小，介質的表面電位顯著增加（圖3c），較小的間距促進摩擦電界面上更有效的氣-固界面吸附。然而，當板間間距減小到0.4 mm時，介質門控會產生大量的拉普拉斯壓力。這會阻礙氣泡通過并導致明顯的氣泡保留，最終損害設備性能。

摩擦電過濾器中的介電層由聚全氟乙丙烯（FEP）構成，該材料是一種極具應用前景的駐極體材料，以高電荷儲存能力和優異穩定性著稱。圖3d描述了FEP 薄膜表面電勢在多次循環工作過程中的變化規律。經過大約350次連續氣泡沖刷后，FEP的表面電位逐漸增加并穩定在-3.3 kV。同時監測的空氣凈化性能顯示出相應的趨勢（圖3e）。FEP的面積和幾何形狀不影響最大累積表面電位，表明這種表面電荷積累是材料的固有特性。

圖3f說明了摩擦電過濾器快速處理含塵氣體的潛力。采用相同濃度的煙霧，比較了靜態、純水（無摩擦電效應）和摩擦電過濾三種條件下的凈化性能。大約360 s后，經過摩擦電裝置處理的容器變得幾乎透明，而靜態條件下仍然含有濃煙。與純水條件相比，摩擦電裝置的除煙效果明顯優于純水條件，這與摩擦電裝置的高效過濾性能一致（圖2f）。對容器內顆粒物濃度的連續監測表明，摩擦電裝置迅速將濃度從超過999 μg m-3降低到45 μg m-3（圖3g），而靜態和水條件下保持相對較高的顆粒物濃度。

圖4 摩擦電界面靜電吸附特性表征

圖4a描繪了摩擦電液-固界面的電荷分布示意圖。在接觸區域內，電子在液體和固體之間傳遞，產生相等但相反的電荷。脈沖氣泡穿透并分離帶電的液固界面，形成有利于PM吸附的靜電場。通過數值模擬進一步研究了脈沖氣泡對流體流動和電場分布的影響。脈沖氣泡作用下的流場，可以看出液體和氣體的流動都形成了從中心向外圍發散的對流模式。圖4b顯示了脈沖氣泡條件下的電場分布，在氣-液-固三相接觸線附近有明顯的電場強度峰值，而界面處的遠場明顯較弱。在更微觀的層面上，界面電場強度隨著距離三相接觸線的距離呈指數衰減，在0.5 mm處產生的靜電勢比1.0 mm處高3倍。

在模擬流場和電場的基礎上，研究了脈沖氣泡中PM的運動軌跡（圖4c）。在氣泡誘導流體動力學的驅動下，PM最初從中央通道向上層水界面遷移，其中中央通道的快速流動與側面通道的反向流動形成對比。隨后，剪切誘導的再循環使顆粒更靠近界面，而電場提供最終的定向驅動力，從而實現顆粒的快速捕獲。將FEP固定在反重力方向，發現其表面吸附了大量的PM (SEM)，證實了FEP對PM具有極強的靜電吸附能力（圖4d）。相反，從FEP表面分離后獲得正電荷的水更有效地吸附帶負電荷的PM。

當PM與水界面接觸時，溶液可以捕獲親水性和疏水性顆粒（圖4e）。在實驗中，親水顆粒與水界面接觸后直接進入液體。雖然疏水粒子不能進入溶液，但它們被水界面成功捕獲。除了直接從氣相中捕獲PM外，水界面還可以去除吸附在固體表面的PM。當氣泡離開裝置時，這是通過氣液固三相接觸線的運動發生的。實驗表明，無論吸附在FEP表面的PM是親水性還是疏水性，滑動的水滴都能很容易地帶走吸附在FEP表面的PM。

因此，摩擦電界面處的顆粒物吸附過程可以分為三個階段（圖4f）。在靜態狀態下，液體與固體接觸形成雙電層。隨后，氣泡上升并分離液-固界面，產生電場。然后液體和固體表面通過靜電力吸附大量的PM。最后，隨著氣-液-固三相接觸線向上移動，水界面收集吸附在FEP表面的PM，使PM有效地轉移到液體中。

圖5 摩擦電過濾器的通用性與穩定性

空氣凈化系統在復雜和動態的條件下運行，過濾器經常面臨相當大的挑戰，如腐蝕或堵塞。提高溶液溫度可提高空氣凈化性能（圖5a）。圖5b進一步說明了不同化學性質的溶液對空氣凈化性能的影響。結果表明，與純水相比，溶液pH的改變和離子濃度的增加會降低過濾效率。離子強度的提高屏蔽了液-固界面的電荷轉移位點，這是觀察到的空氣凈化性能下降的基礎。FEP具有優異的耐腐蝕和抗污性能。在酸性、堿性甚至鹽水溶液中浸泡后，FEP的表面形貌幾乎保持不變（圖5c）。此外，顯微鏡和熒光成像證實細菌既不附著在FEP表面也不增殖（圖5d）。

如圖5e所示，研究了不同含塵氣體對過濾器性能的影響。與復雜的溶液系統類似，高水溶性氣體會增加離子濃度，降低空氣凈化性能。而典型N2對過濾效率的影響可以忽略不計。還研究了酸性和堿性氣溶膠的影響。它們的吸收改變了溶液的pH值，產生的趨勢與在不同pH值的溶液中觀察到的趨勢相似（圖5b）。然而，在幾個循環內，性能保持相對穩定。摩擦電過濾器可以適應大范圍的氣體流速。然而，氣體流速是有限制的，因為它必須允許在下一個氣泡進入摩擦電界面之前氣體完全排出，以確保最佳的空氣凈化性能。當兩個氣泡在摩擦電界面共存時，特別是形成“氣柱”形狀時，它限制了水界面從FEP表面收集PM的能力。因此，增加的氣流不可避免地限制了空氣凈化效率（圖5f）。

耐久性和穩定性是評估空氣過濾器的關鍵因素。過濾器具有很強的抗堵塞性，因為電極間隙明顯大于PM或絮凝污染物的特征尺寸。即使在大約300 min的連續過濾后，也沒有觀察到明顯的凈化性能損失（圖5g）。而且，通過簡單的換水，過濾器可以在多次污染后恢復其初始的空氣凈化性能（圖5h）。

圖6 多通道集成式摩擦電過濾器性能驗證

提高氣體處理能力對實際應用至關重要。摩擦電過濾器通過局部靜電場工作，通過單個單元的復制實現固有的可擴展性。圖6a是一個集成的多通道摩擦電濾波器，底部是氣泡產生單元，頂部是摩擦電矩陣。摩擦電矩陣配置為6×8通道排列，而氣泡儲罐在矩陣下方按1:1對應排列（圖6b）。摩擦電單元的集成化設計顯著提升了氣體通量（圖6c）。在過濾性能保持穩定的前提下，這款48通道裝置可適配多種氣體流量工況，最大處理風量可達12 L/min（圖6d）。

圖6e展示了集成摩擦電過濾器在汽車尾氣凈化中的應用。過濾器的入口直接連接到車輛排氣口，實現實時空氣凈化。激活后，廢氣中的高濃度PM2.5迅速降至約3 μg m-3（圖6f），并在多個PM粒徑組分中觀察到同步降低（圖6g）。這些結果突出了摩擦電過濾器在高效和連續廢氣凈化方面的潛力。

文獻信息

Pulsed bubble-induced ultrahigh electrostatic potentials for triboelectric air purification，Nature Sustainability，2026.

https://www.nature.com/articles/s41893-026-01827-6

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