为应对可持续发展及超细颗粒带来的个人防护挑战，使用可再生、可降解的生物基材料实现高性能、多功能空气过滤已成为研究热点。摩擦纳米发电机作为一种绿色能源新路径，是实现可持续发展的另一大支撑。然而，基于摩擦纳米发电机的生物基材料优化成型与适配策略仍然有限，特别是在生物基材料的可控制备、结构与摩擦电性能的协同优化方面，仍缺乏系统性研究。
近日，厦门大学郑高峰教授与福州大学邵尊桂副研究员团队合作，提出了一种新的宏/微协同设计策略：通过宏观结构增韧与微观引入供电子基团相结合，通过一步电纺与加热-退火工艺制备乙基纤维素(EC)/壳聚糖(CS)纳米纤维膜，其具有纤维结构稳定、供电子能力强的特点，用作正摩擦层；再通过一步电纺工艺制备玉米蛋白(zein)纳米纤维膜，其具有大量珠串结构和硝基等吸电子集团，具有降低气流阻力和吸电子能力，用作负摩擦层。两者共同组成的摩擦发电空气过滤膜，除了可以实现高性能空气过滤以外，还可以对佩戴者进行实时的呼吸监测。相关研究内容以“Fully bio-based triboelectric bimodal nanofiber membrane for high-performance air filtration and respiratory monitoring”为题目，发表在期刊《Separation and Purification Technology》上。
图1 全生物基绿色电纺摩擦发电纳米纤维膜的制备
随着CS的加入，首先，前驱体溶液的电导率提高，增强了射流在静电场中的电压响应，使射流易于劈裂，制备双峰纤维；其次，CS与EC形成的氢键，增强了单根纤维的机械强度，而通过加热-退火处理后，CS形成键合结构，增强了纤维膜的整体结构稳定性，二者协同改善了纤维膜的机械性能；最后，CS含有羟基、氨基等强供电子基团，显著提升了膜的供电子能力，从而增强了膜的摩擦电性能。
图2经过加热-退火处理的15EC/(a) 0.5CS, (b) 1CS和(c) 1.5CS纤维形貌
图3 CS的加入增强了摩擦电性能的机理图
在佩戴过程中，受呼吸气流驱动，EC/CS纳米纤维膜与zein纳米纤维膜进行周期性的接触与分离，在此过程中，电荷发生转移，电势差出现，产生感应电流，实现摩擦发电。
图4 摩擦发电空气过滤膜工作过程
双峰结构使纳米纤维膜具有优良的物理拦截能力，而摩擦发电又使纳米纤维的表面电位提高，有利于吸附空气中的细小颗粒物(如PM0.3)，在物理拦截和静电吸附的协同效应下，纤维膜在85 L/min下对PM0.3的过滤效率依旧高达99.39%。
图5 (a) 纳米纤维膜过滤机理图；摩擦前后的(b) 过滤效率, (c) 压降和(d) 质量因子；不同湿度下的(e) 表面电位, (f) 过滤效率和(g) 压降。
由于该膜可以通过摩擦发电将呼吸信号转化为电信号，因此，通过对电信号的采集，可以实现对佩戴者呼吸状态的实时监测，如屏息，正常呼吸，急促呼吸与咳嗽等。
图6 三种呼吸模式对应波形的(a)示意图和(b)实拍图；(c) 受摩擦发电供能的LED灯板；(d) 蓝牙呼吸监测模块；(e) 自建呼吸监测系统。
文章要点
全生物基绿色电纺摩擦发电纳米纤维膜。
提出了一种结构-电势协同优化策略，以改善纤维膜的摩擦电性能。
该膜不仅可以实现高性能空气过滤，还可以做到自供能呼吸监测。
论文的共同第一作者为厦门大学刘益芳副教授与硕士研究生王麒斌，通讯作者为厦门大学郑高峰教授与福州大学邵尊桂副研究员，参与工作的还有厦门大学颜黄苹副教授，硕士研究生上官子韩和邓长卓。
原文地址：
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137511
人物简介：
邵尊桂（通讯作者）
福州大学机械工程及自动化学院副研究员，工学博士，福建省高层次人才，主要研究方向为电流体动力微纳绿色制造及其个人防护、环境治理、清洁能源等领域应用，以第一/通讯作者在Nature Communications, Carbohydrate Polymers, Journal of Hazardous Materials等期刊发表SCI论文20余篇，授权发明专利3项，获中国发明协会发明创业奖创新奖1项。
郑高峰（通讯作者）
厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院教授、博士研究生导师，科学仪器所所长；仪器与电气系副主任。
主要从事微纳喷印、智能检测传感、柔性电子集成等领域的研究工作。
福建省杰出青年基金获得者、福建省“雏鹰计划”拔尖人才、厦门市“双百计划”领军型创业人才、福建省高层次人才。承担有国家自然科学基金面上项目、深圳市重大研究专项、福建省产学研合作重点项目、引导类重点项目等研究课题以及30余项企业委托技术开发课题。发表 SCI、EI收录学术论文160余篇，出版专著1本，专章4篇，作为第一发明人授权发明专利40余项，其中15项专利实现了产业转化应用。第一完成人获中国发明协会发明创新奖一等奖、福建省科学技术进步奖二等奖、厦门市科学技术进步奖二等奖各1项。
近年来，郑高峰教授团队已围绕电纺高性能空气过滤膜发表了一系列创新研究并整理综述2篇，涵盖了高性能空气过滤机制研究、纤维膜的双峰结构调控、生物基材料适配策略开发等方面，致力于推进高性能空气过滤膜的绿色制造：
1、电纺射流劈裂增强响应策略及其高性能抗菌空气过滤应用
ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(16): 18989-19001. doi.org/10.1021/acsami.2c04700
2、高性能、多功能电纺空气过滤膜与高性能空气过滤机制综述
Separation and Purification Technology, 2022, 302: 122175.
doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122175
3、双峰纤维膜的表征与低电导率制备方法
Materials Today Communications, 2023, 34: 105014.
doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.105014
4、液态小分子与醋酸纤维素的适配策略及其高性能抗菌驱蚊空气过滤应用
Separation and Purification Technology, 2023, 327: 124920.
doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124920
5、延缓挥发策略实现玉米醇溶蛋白纳米纤维膜高效成型及其高性能空气过滤应用
ACS Applied Polymer Materials, 2023, 5(10): 8559-8569.
doi.org/10.1021/acsapm.3c01666
6、射流劈裂与不均匀拉伸协同的乙基纤维素双峰纤维成型策略及其高性能抗菌除醛空气过滤应用
International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 254: 127862.
doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.127862
7、固态小分子分散性优化条件下乙基纤维素双峰纤维膜成型策略及其高性能抗菌空气过滤应用
Science of the Total Environment, 2024, 909: 168654.
doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168654
8、基于固态小分子“柔化-牵引”机制的玉米醇溶蛋白射流劈裂增强策略及其高性能抗菌空气过滤应用
Separation and Purification Technology, 2024, 341: 126893.
doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126893
9、基于溶剂不均匀入侵机制实现乙基纤维素双峰纤维膜在射流不均匀拉伸情况下的成型及其高性能空气过滤应用
International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 275: 133411.
doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.133411
10、电纺双峰纤维膜的成型策略与空气过滤应用综述
Separation and Purification Technology, 2025, 358: 130417.
doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130417
11、基于小分子互助机制实现全生物基双峰纤维膜在射流协同拉伸下的成型及其高效抗菌空气过滤应用
Journal of Cleaner Production, 2024, 486: 144562.
doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.144562
最小影响策略下全生物基实现高效过滤与超强抗菌双突破
Carbohydrate Polymers, 2025, 366: 123893.
doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123893
13、乙基纤维素/壳聚糖双峰纤维热处理增强实现高通量空气过滤
International Journal of Biological Macromolecules, 2025, 318: 145202.
doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.145202
14、基于小分子屏障的持续电纺裂喷策略及其抗菌、防紫外空气过滤
Journal of Hazardous Materials, 2025, 496: 139454.
doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139454
