研究背景
湿法除尘技术自19世纪末问世以来，是最重要的空气净化方法之一。其核心原理是利用水（或其他液体）与含尘气体接触，通过布朗运动、惯性碰撞等机制，使颗粒物被液体捕获，从而实现空气净化。百余年来，该技术的优化思路多集中于提升气液接触面积，例如通过微气泡化强化传质与捕集效率。然而，微气泡的生成往往伴随较高能耗，使节水与降耗难以兼顾。如何在实现节水减排的同时降低系统能耗、提升颗粒物的捕集效率，是制约湿法除尘技术升级的核心难题。
在此背景下，基于摩擦纳米发电机的静电吸附效应为破解这一瓶颈提供了全新思路。静电力可以驱动超细颗粒物定向迁移，提升捕集效率。如何将摩擦生电效应与静电吸附作用相耦合，在不外加电源、不增加能耗的前提下，利用原位静电场强化颗粒物捕集效率，成为推动湿法除尘技术向高效、低耗、可持续方向革新的关键突破口。
文章概述
近日，王双飞院士团队在湿法除尘技术中取得突破性进展。研究团队受天然仿生结构启发，首次发现了脉冲气泡驱动高效发电的新现象，成功攻克了传统湿法除尘的技术瓶颈，开创出无需外接电源、可持续、高效的空气净化新路线。研究发现，气泡在周期性聚集后可产生毫秒级脉冲，使气泡运动速度提高了两个数量级，从而诱导产生高达-3.3 kV的强静电势。这种脉冲气泡诱导产生的静电力，可以原位吸附捕获带电荷的颗粒物，对PM1.0净化效率达95.5%，对PM2.5去除效率最高可达99.8%。
这项技术改变以往研究依靠缩小气泡体积实现高性能的局限性，实现了大气泡和高性能的兼容，有望降低湿法除尘技术的能耗和处理性能，对于开发可持续的湿法除尘技术至关重要。该项成果以题为“Pulsed bubble-induced ultrahigh electrostatic potentials for triboelectric air purification”发表在《Nature Sustainability》上。广西大学为唯一完成单位，博士生刘涛和硕士生崔雪为共同第一作者，聂双喜教授为独立通讯作者，于康、李雪迪、叶梓怡、梁容榕、张松、罗斌等参与研究。
图文导读
1. 摩擦电过滤器的仿生灵感
锤头鲨的鱼鳃系统结合了网状鳃耙（可高效捕获微粒且流阻低）与双层上皮（可实现动态气体交换和离子过滤），构成了一个高效的呼吸界面。受这种生物组织启发，利用激光雕刻技术构筑了具有类似栅状结构的摩擦电过滤器。这种栅状结构使得气泡在通过时被挤压而产生较高的接触面积，提高空气净化性能。当含尘气泡通过并分离液固界面时，液固接触起电并产生静电力，使得气泡内部的颗粒物(PM)被原位吸附捕集。
图1. 仿生启发摩擦电过滤器的设计概念
2. 脉冲气泡的演化机制
摩擦电过滤器由顶部栅状结构的气泡门控和底部气体储存槽构成。含尘气泡预先在气体储存槽中聚集成大气泡，直到当浮力势能突破气泡门控产生的阻力时才可以产生瞬间的脉冲。一个典型的气泡脉冲通常仅持续数十毫秒。由气泡的浮力势能驱动并原位生成的静电力，有效提高超细微PM的净化效率，例如PM0.5的净化效率提高了563%。摩擦电过滤器提供的直接除尘能力优于绝大多数固体空气过滤介质，甚至媲美多种新兴的空气净化技术。
图2. 摩擦电过滤器的工作原理与性能
3. 净化效率可调节的空气过滤器
过滤器的空气净化效率依赖于静电吸附力。对于任何带电的PM，它的静电引力满足库伦定律，即静电引力与带电物质间的距离呈反比。在实验中，通过调节夹板的间距可以控制带电PM与电介质表面的平均距离。与库伦定律相符，缩小间距可以提升PM的过滤效率，尤其是对于超细微PM。电介质表面电势随着夹板距离缩小而显著提升，更小的门控间距赋予了摩擦电界面更高效的颗粒物捕获能力。
图3. 摩擦电过滤器的性能优化
4. 液固界面静电吸附的机理
为了进一步理解液固界面对PM的吸收过程，通过数值模拟研究了脉冲气泡对流体流动和电场分布的影响。脉冲气泡作用下的流场，液流和气流各自形成了从中心向外围发散的对流模式。其电场分布显示在气-液-固三相接触线附近电场强度呈现显著峰值，而界面远场处的电场则明显较弱。电场强度与气-液-固三相接触线的距离呈指数型负相关，在距离为0.5 mm处产生的静电势比1.0 mm处距离高数倍。这意味着PM吸附过程倾向于发生在气-液-固的三相接触线，并随着气泡上浮持续进行。
图4. 液固界面的静电吸附机理
5. 摩擦电过滤器的通用性
空气净化技术的应用场景复杂多变，过滤器经常面临腐蚀或堵塞的严峻挑战。FEP具备优异的耐腐蚀性，在酸性、碱性甚至盐溶液的浸泡后，材料表面形貌几乎保变。还验证多种含尘气体对过滤器的影响，其中氨气代表腐蚀气体，甲醛代表有毒气体。与复杂溶液体系类似，易溶于水并且增加溶液离子浓度的气体会影响空气净化性能，而典型的N2几乎不影响净化效率。耐用性和稳定性是评价空气过滤器另外两个重要指标。即使在经历大约300 min的持续过滤中，过滤器的空气净化性能未发生显著偏差。另外，通过简易的换水处理，过滤器可以在多次被污染后再次恢复初始的空气净化性能。
图5. 摩擦电过滤器的通用性和稳定性
6. 摩擦电过滤器的结构拓展
空气过滤器的气体处理量对于各种应用场景至关重要。摩擦电过滤器可采用6×8通道的矩阵布局，而气泡储存槽则以1:1的对应关系排列在矩阵下方。在保持过滤性能的同时，该48通道装置可灵活适应多种气体流量，可有效处理超过12 L min-1的空气流量。将集成式摩擦电过滤器应用于汽车尾气净化，尾气中PM2.5可迅速降至约3 μg·m-3，同时多种尺寸PM的浓度均同步降低，证明尾气得到快速净化。
图6. 多通道集成的摩擦电过滤器
总结
本研究提出了一种基于摩擦纳米发电机增强的湿法除尘新技术，其工作原理依赖于脉冲气泡诱导的超高表面静电势，以及液固界面的静电力吸附效应。这种源于液固界面电荷转移的原位静电吸附概念，为摩擦起电纳米发电机与空气净化技术的跨学科融合提供了新见解。为适应更广泛的空气净化场景，这项工作已经展示了摩擦电过滤器灵活组装的工作潜力。预计通过合理调整器件结构，可在空气净化效率与气体处理量之间取得平衡，从而使其能够适用于大规模的空气处理场景。总的来说，摩擦电过滤器具备综合性的空气净化能力，有望进一步开发为可持续的大气环境治理技术。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-026-01827-6
