王中林院士、蔣濤青年研究員團隊AFM：變廢爲寶！利用廢棄一次性醫用口罩的TENG用於波浪能收集

近年來，由於呼吸道疾病的高發，人們對健康防護更加重視，一次性醫用口罩（DMM）的使用率仍然很高。使用過的DMM被丟棄，最終成爲塑料污染。目前塑料的回收方法主要有機械回收、化學改性和化學降解。這些方法附加值低、能耗高、可控性差，大量的塑料污染物通過河流排入世界各地的海洋。2020年，至少有15億隻口罩流入海洋，加劇了海洋塑料問題，嚴重威脅着海洋生物、海洋微生物和海洋食品的安全。因此，需要一種有效的廢棄DMM回收方法。對於傳統的塑料回收方法，沒有考慮DMM的結構和材料特性。實際上，DMM中的薄膜具有許多獨特的性能，如良好的疏水性，大表面積，高表面電阻，良好的摩擦電性能和明顯的靜電電荷存儲能力。這些特性與摩擦納米發電機（TENG）的材料選擇規則一致。

目前，TENG已廣泛應用於收集分佈式的低頻高熵能源，特別是海洋波浪能（藍色能源）的收集是最重要的發展方向之一。然而，目前報道的大多數TENG主要依賴於市場售賣或合成的聚合物摩擦材料，如聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚四氟乙烯等。這些TENG的製造成本相對較高，在使用壽命結束時，其組件將被丟棄到環境中，從而導致額外的污染挑戰。針對這些問題，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士、蔣濤青年研究員團隊將廢棄DMM以TENG的形式重新利用，並收集海浪能，在解決塑料污染問題的同時，實現清潔和可再生能源的發電。該研究以“Triboelectric Nanogenerators Using Recycled Disposable Medical Masks for Water Wave Energy Harvesting”爲題發表在《 Advanced Functional Materials》雜誌上，文章的第一作者是首都師範大學物理系樑茜。

作者專門針對廢棄DMM，結合TENG技術提出了一種簡單有效的回收方案。首先，作者對DMM的各部分進行了拆解和分類，並分析了各部分結構和材料的特點（圖1）。DMM主要部件是3層薄膜，由纖維製成，具有較高的表面電阻和大的表面積，薄膜表面摩擦電負性較強，通過摩擦作用極易產生大量靜電荷。

圖1 DMM各部分結構和材料的特點

接下來，對回收薄膜的殺菌是重要步驟，作者採用了高壓脈衝殺菌技術。高壓脈衝殺菌技術是應用於流體食物殺菌的一種先進技術，將其應用於DMM殺菌耗時短、耗能低，不會破壞纖維結構，更重要的是，高電壓在殺菌的同時可以實現薄膜的極化。作者設計了專門的高壓脈衝殺菌系統，由3部分組成：高壓源、高壓脈衝模塊以及處理腔（圖2）。以人體口腔中常見的金黃葡萄球菌爲例，通過調控處理參數，殺菌率最高達到91.8%，同時薄膜的表面電勢大小達到1.6 kV。

圖2 高壓脈衝殺菌系統的構建及殺菌效果

在殺菌處理的基礎上，作者探究了回收薄膜作爲TENG摩擦層的應用潛力。以3層薄膜分別構建了4種模式的TENG基本單元，包括接觸-分離模式、水平滑動模式、單電極模式和獨立層模式，對比了它們的輸出性能（圖3）。

圖3 以回收薄膜爲摩擦層的不同模式TENG對比

爲了提升回收薄膜的摩擦性能，作者採用了表面改性和薄膜減厚的方法。首先，採用了化學改性方法來調整薄膜表面的成分，實際上，DMM中的PP材料是一種非極性聚合物。根據現有研究，含氟聚合物已被證明是TENG最理想的負性摩擦材料，因爲氟是電負性最強的元素。爲了增強薄膜的摩擦電負性，採用含氟聚合物1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基三氯硅烷（PFTS）作爲表面改性劑，通過簡單的氣相沉積法，可以在PP膜表面形成均勻的PFTS層。PFTS分子與PP膜表面纖維的結合比較緊密，保證了改性膜的良好穩定性。另一方面，作者利用液壓機將薄膜的厚度減薄，DMM中的薄膜厚度約爲150 μm，比TENG中通常使用的摩擦層更厚。薄膜被液壓機壓平之後，其厚度降至50 μm，相應地，在接觸狀態下，TENG的電容從0.147 nF增加到0.704 nF。不同方法的提升效果如圖4所示，降低厚度的方法效果更明顯。

圖4 不同處理方法對輸出性能的影響

最後，作者設計了完整的TENG器件實現波浪能的收集。器件由44個DMM製作而成，整體呈現立方體結構，DMM的材料回收率達到80.89%，器件重量的93.75%來源於回收材料。TENG器件在波浪環境下的功率密度爲18.22 W m -3。演示了TENG器件驅動LCD顯示屏和數碼溫度計的應用（圖5）。

圖5 回收薄膜製作的TENG器件性能及應用

作者專門針對廢棄DMM，結合TENG技術提出了一種簡單有效的回收方案。根據DMM的材料和結構特點，對各部件進行了拆卸和分類。設計並製作了一個高壓脈衝殺菌系統處理回收薄膜，在最佳電壓參數下，殺菌率達到91.8%，同時薄膜表面電位提高到1.60 kV。將處理後的薄膜應用爲不同工作模式基本TENG單元的介電層，還引入了表面改性和減小厚度的方法來提高回收薄膜的摩擦性能。最後，利用44個廢棄DMM製備完整的TENG裝置，回收率達到80.89%。在波浪驅動下實現了18.22 W m -3的峰值功率密度，並演示TENG爲LCD屏幕和溫度計供電的應用。在此方案中，作者同時實現了DMM的材料回收和波浪能的有效收集，這項工作將循環經濟和新能源開發相結合，對碳中和具有重要意義。

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來源：高分子科學前沿

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