转自：中国科学报
“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（现为首都师范大学教师）梁茜放下心来。尽管最初只有几微安的微弱电流，但梁茜确信，以废弃口罩为原料制造摩擦纳米发电机（TENG）的思路可行。
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开始废弃口罩材料摩擦发电性能测试，通过高压脉冲杀菌和材料改性技术，他们用44个废弃口罩，制备出完整的摩擦纳米发电机，在波浪驱动下实现了18.22瓦每立方米的峰值功率密度，并成功点亮LCD屏幕。
近日，相关研究在《先进功能材料》上线。
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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抱怨：现在垃圾真多啊，都是口罩。
她环视办公室一圈，可不是么：桌上、柜角、垃圾桶里，一次性口罩随处可见。
“我们一直在做TENG相关研究，经常测试不同材料，看哪种材料发电效果更好。”梁茜说，“我当时就想，口罩也是一种高分子材料，能不能把它用到摩擦纳米发电中来？”
脑袋中冒出这样想法时，梁茜对口罩的了解并不多。为此她特意查了一下资料，发现口罩的主要材料是聚丙烯（PP）。但在摩擦纳米发电机中，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，很少涉及聚丙烯材料。
“因为聚丙烯的‘摩擦电负性’并不好，但我们还是想先测一下，看看这种材料到底怎样。”梁茜说。
于是研究人员把口罩进行拆解分类，发现其中主要部件是3层聚丙烯纤维薄膜。摩擦纳米发电测试结果显示，3层薄膜都有电流输出。
进一步研究发现，废弃口罩材料还有许多独特的性能，如良好的疏水性，具有较高的表面电阻和较大的表面积，通过摩擦极易产生大量静电荷。
“这些特性与TENG材料选择规则不谋而合。”梁茜说，“因此我们决定深入研究一下，看能不能进行材料改性优化。”
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44个废口罩“造”台发电机
“用废弃一次性医用口罩为原料制造摩擦纳米发电机，既有效地回收口罩材料，降低环境污染，又实现了环境可再生能源的收集。”中国科学院纳米能源所青年研究员蒋涛告诉《中国科学报》。
“废物利用”的创意虽好，但口罩并非理想的发电材料，真正实现起来还有很多棘手问题。
口罩使用过程中会受到污染，有可能沾染病毒和口腔细菌。而制成的摩擦纳米发电机要投放在大海中使用，如果杀灭病菌不彻底，后续可能会带来环境问题。
刚开始，研究人员并未想好用什么方法杀菌。团队成员刘志荣博士主修生物技术，对生物材料和器械消毒灭菌非常熟悉，她提议试试用高电压杀菌。
“高压杀菌通过高压环境破坏微生物细胞结构和功能，实现产品杀菌，在液体食物（酒类、奶类等）杀菌方面的应用已非常成熟”刘志荣说。
“我们本身就研究纳米发电，操控起电来也得心应手。”团队成员韩凯博士说，“更重要的是，高压杀菌不接触口罩薄膜，不会影响薄膜表面形貌。而PP是种‘驻极体’材料，高压杀菌同时还能对它进行‘极化’，提升它的摩擦起电性能。”
虽然制造“脉冲高压”费了一些周折，但团队最终通过串联耐高压晶体管等方式，研制出6000伏脉冲高压的消杀装置，顺利完成了杀菌任务。
旧问题解决了，新问题又接踵而至。
摩擦纳米发电器件外壳要求具有一定强度，利用口罩制作“板材”需要将口罩“支棱”起来。于是，研究人员将十几层口罩叠放一起，通过液压机冲压方式增加板材厚度和硬度。但对摩擦纳米发电机的核心“介电层”来说，单层口罩薄膜的厚度却过厚。如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经很薄了，再将其‘撕’成两三层想起来容易，但操作起来效果并不理想。”梁茜说。
这时，用液压机冲压“板材”的过程给梁茜新的启示：如果将单层口罩薄膜放液压机下冲压，是不是就能将口罩薄膜“压成”理想的厚度。这个“反其道而行之”的方法果然有效，实验结果表明，冲压能降低薄膜厚度，显著提升摩擦纳米发电机的输出性能。
最终，团队用44个废弃口罩制造出一台摩擦纳米发电机。该发电机为边长7厘米的立方体，内部并联64个发电单元，外形和魔方类似。
目前，该研究人员通过实验室的“造波装置”，在波浪驱动下实现了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
新冠疫情暴发后，废弃口罩数量飞速增长。有统计分析指出，2020年全球共生产约520亿个口罩，其中约15.6亿个口罩因处理不善流入海洋。
“虽然疫情已经过去，但大家戴口罩的习惯已经形成，一次性医用口罩正逐步成为人们日常必须品。”梁茜说，“目前一次性口罩的回收方法主要有机械回收、化学改性和化学降解。这些方法没有考虑口罩的结构和材料特性，而且其过程附加值低、能耗高、可控性差。”
“将废弃材料回收利用与零碳能源转化技术有机结合起来，可为清洁与可持续的能源供应提供新思路。”蒋涛说，“因此，该研究有望在大规模海洋蓝色能源开发领域发挥重要作用，为双碳目标实现做出贡献。”
目前，基于废弃口罩的摩擦纳米发电研究还处于实验室研究阶段。实验中，单个摩擦纳米发电机已经可以点亮温度计、液晶屏幕。如果将多组摩擦纳米发电机并联，有点亮海上航标灯的潜力。
“这种材料（废弃口罩）的发电性能虽然没有达到特别理想，但使用废弃材料的造价非常低，同时还解决了一个环境难题。”梁茜说，“目前，一个摩擦纳米发电机中约90%的材料由回收口罩制成。下一步，我们考虑将口罩中的金属‘鼻梁条’制成电极、电线等，进一步提高口罩的回收利用率。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202409422
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