火灾事故往往伴随空气严重污染、氨气泄漏和微生物滋生等恶劣环境，这为开发多功能便携式医疗保健设备带来了巨大挑战。摩擦纳米发电机（TENG）借助呼吸作用产生感应电场，有效吸附可吸入颗粒物。然而，高温高湿条件下，电荷耗散会影响基于TENG的医疗设备稳定性。生物质材料的开发因其可持续性受到关注，尤其是纤维素。然而，纤维素的可纺性和亲水性限制了其在自供电空气过滤材料中的应用。此外，石油基医疗设备的过滤性能在多次使用后会显著下降，加剧对石油资源的依赖。基于以上需求，迫切需要开发适用于极端环境的生物质基多功能自供电医疗保障装置，以应对火灾等紧急情况带来的健康风险。

近日，江南大学王利强教授、赵军华教授团队和东华大学贾超副研究员在期刊《Nano Energy》上，发表了最新研究成果“Enhanced Air Filtration and Ammonia Sensing with Cellulose Nanofibers-based Triboelectric Nanogenerators under Harsh Environments”。研究者通过正硅酸四乙酯将可形成肖特基异质结的 Ti3C2Tx/MoS2 纳米杂化材料接枝到二醋酸纤维素上，然后通过静电纺丝制成纳米纤维膜。该装置实现了低压降（52 Pa）和高过滤效率（PM0.3 高达 98.72%）的最佳平衡。此外，它在高温高湿条件下也表现出了卓越的稳定性。值得注意的是，该装置能在 15 分钟内保持快速灭菌，即使经过多次清洗也能保持稳定的过滤性能。此外，该装置还能精确检测痕量 NH3（0.1 ppm），并能快速响应，在 2 秒内对 100 ppm NH3 的响应率达到 86%，比商用 NH3 监测器快 28 秒发出预警。这项研究为开发多功能、自供电、可穿戴医疗设备提供了一种新方法，这种设备可在恶劣环境中提供高效空气过滤和消毒、呼吸监测以及有毒气体泄漏快速检测。

图 1. 纳米纤维素膜的合成示意图。

图2. 纳米纤维膜的理化性能表征。

图3. TENG的摩擦电性能。

图4. 纳米纤维膜的过滤性能。

图 5. TENG 的抗菌特性和分析。

图6. TENG的NH3响应特性。

利用天然纤维素开发智能医疗保健设备，在火灾等极端环境中保护人类健康的迫切性促使人们创造出一种多功能便携式设备。该设备将 TEOS 接枝的 Ti3C2Tx/MoS2 纳米杂化材料集成到 CD 上，通过电纺丝和热处理形成高性能纤维素基纳米纤维膜。该装置实现了很高的过滤效率（对 PM0.3、PM0.5 和 PM1 的过滤效率分别为 98.72%、99.52% 和 99.95%），即使在 99% 相对湿度和 100°C 的条件下，对 PM0.3 的过滤效率也能保持在 90% 以上。在近红外光照下，它能在 15 分钟内达到 99.99% 的细菌抑制率，并在 9 次洗涤后保持稳定的 PM 过滤和细菌抑制率。该装置还能监测呼吸状态，并快速检测出 0.1 ppm 的痕量 NH3，与商用 NH3 监测器相比，可提前 28 秒发出警告。这项研究提出了一种简单有效的方法来开发多功能自供电医疗保健设备，展示了在恶劣环境下制造可穿戴、便携式多功能电子设备的巨大潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110323

人物简介：

王利强，江南大学机械工程学院教授，博士生导师。尝试从事微纳能源收集与应用、食品加工与包装技术及装备。国家农业科技成果转化项目、国家公益性行业（农业）科研专项经费课题二级项目、“十一五”国家支撑重点项目子课题、参与国家重点研发子课题、国家“863”计划子项目、“十一五”国家支撑重点项目子课题、国家公益性行业（农业）科研专项经费课题、教育部科学技术研究重点项目。10年中，在Nano Energy、Nano letters、Small、Carbohydrate Polymers、Food Control等期刊发表包括学术论文60余篇；申请和获得国家发明专利10余项。中国包装行业科学技术奖一等奖、中国商业联合会科学技术进步二等奖、中国轻工业联合会科学技术进步三等奖等12项。