44個口罩“造”臺發電機，這項新研究“亮了”

“動了！”

看到電流表的數字跳動了一下，中國科學院北京納米能源與系統研究所博士后（現為首都師范大學教師）梁茜放下心來。盡管最初只有幾微安的微弱電流，但梁茜確信，以廢棄口罩為原料制造摩擦納米發電機（TENG）的思路可行。

兩年前，中國科學院納米能源所王中林院士、蔣濤青年研究員團隊開始廢棄口罩材料摩擦發電性能測試，通過高壓脈沖殺菌和材料改性技術，他們用44個廢棄口罩，制備出完整的摩擦納米發電機，在波浪驅動下實現了18.22瓦每立方米的峰值功率密度，并成功點亮LCD屏幕。

近日，相關研究在《先進功能材料》上線。

用廢棄口罩制成的摩擦納米發電機。受訪者供圖

從垃圾桶“撿出”的靈感

2022年，梁茜在中國科學院納米能源所進行博士后研究。

一天，她聽到辦公樓保潔員抱怨：現在垃圾真多啊，都是口罩。

她環視辦公室一圈，可不是么：桌上、柜角、垃圾桶里，一次性口罩隨處可見。

“我們一直在做TENG相關研究，經常測試不同材料，看哪種材料發電效果更好。”梁茜說，“我當時就想，口罩也是一種高分子材料，能不能把它用到摩擦納米發電中來？”

腦袋中冒出這樣想法時，梁茜對口罩的了解并不多。為此她特意查了一下資料，發現口罩的主要材料是聚丙烯（PP）。但在摩擦納米發電機中，此前多以市售或合成聚合物，如聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚四氟乙烯等為主，很少涉及聚丙烯材料。

“因為聚丙烯的‘摩擦電負性’并不好，但我們還是想先測一下，看看這種材料到底怎樣。”梁茜說。

于是研究人員把口罩進行拆解分類，發現其中主要部件是3層聚丙烯纖維薄膜。摩擦納米發電測試結果顯示，3層薄膜都有電流輸出。

進一步研究發現，廢棄口罩材料還有許多獨特的性能，如良好的疏水性，具有較高的表面電阻和較大的表面積，通過摩擦極易產生大量靜電荷。

“這些特性與TENG材料選擇規則不謀而合。”梁茜說，“因此我們決定深入研究一下，看能不能進行材料改性優化。”

研究團隊合影。受訪者供圖

44個廢口罩“造”臺發電機

“用廢棄一次性醫用口罩為原料制造摩擦納米發電機，既有效地回收口罩材料，降低環境污染，又實現了環境可再生能源的收集。”中國科學院納米能源所青年研究員蔣濤告訴《中國科學報》。

“廢物利用”的創意雖好，但口罩并非理想的發電材料，真正實現起來還有很多棘手問題。

口罩使用過程中會受到污染，有可能沾染病毒和口腔細菌。而制成的摩擦納米發電機要投放在大海中使用，如果殺滅病菌不徹底，后續可能會帶來環境問題。

剛開始，研究人員并未想好用什么方法殺菌。團隊成員劉志榮博士主修生物技術，對生物材料和器械消毒滅菌非常熟悉，她提議試試用高電壓殺菌。

“高壓殺菌通過高壓環境破壞微生物細胞結構和功能，實現產品殺菌，在液體食物（酒類、奶類等）殺菌方面的應用已非常成熟”劉志榮說。

“我們本身就研究納米發電，操控起電來也得心應手。”團隊成員韓凱博士說，“更重要的是，高壓殺菌不接觸口罩薄膜，不會影響薄膜表面形貌。而PP是種‘駐極體’材料，高壓殺菌同時還能對它進行‘極化’，提升它的摩擦起電性能。”

雖然制造“脈沖高壓”費了一些周折，但團隊最終通過串聯耐高壓晶體管等方式，研制出6000伏脈沖高壓的消殺裝置，順利完成了殺菌任務。

舊問題解決了，新問題又接踵而至。

摩擦納米發電器件外殼要求具有一定強度，利用口罩制作“板材”需要將口罩“支棱”起來。于是，研究人員將十幾層口罩疊放一起，通過液壓機沖壓方式增加板材厚度和硬度。但對摩擦納米發電機的核心“介電層”來說，單層口罩薄膜的厚度卻過厚。如何將單層口罩薄膜變薄就成為一個新問題。

“單層口罩薄膜其實已經很薄了，再將其‘撕’成兩三層想起來容易，但操作起來效果并不理想。”梁茜說。

這時，用液壓機沖壓“板材”的過程給梁茜新的啟示：如果將單層口罩薄膜放液壓機下沖壓，是不是就能將口罩薄膜“壓成”理想的厚度。這個“反其道而行之”的方法果然有效，實驗結果表明，沖壓能降低薄膜厚度，顯著提升摩擦納米發電機的輸出性能。

最終，團隊用44個廢棄口罩制造出一臺摩擦納米發電機。該發電機為邊長7厘米的立方體，內部并聯64個發電單元，外形和魔方類似。

目前，該研究人員通過實驗室的“造波裝置”，在波浪驅動下實現了18.22瓦每立方米的峰值功率密度，并實現了為LCD屏幕和溫度計供電。

九成材料來自口罩

新冠疫情暴發后，廢棄口罩數量飛速增長。有統計分析指出，2020年全球共生產約520億個口罩，其中約15.6億個口罩因處理不善流入海洋。

“雖然疫情已經過去，但大家戴口罩的習慣已經形成，一次性醫用口罩正逐步成為人們日常必須品。”梁茜說，“目前一次性口罩的回收方法主要有機械回收、化學改性和化學降解。這些方法沒有考慮口罩的結構和材料特性，而且其過程附加值低、能耗高、可控性差。”

“將廢棄材料回收利用與零碳能源轉化技術有機結合起來，可為清潔與可持續的能源供應提供新思路。”蔣濤說，“因此，該研究有望在大規模海洋藍色能源開發領域發揮重要作用，為雙碳目標實現做出貢獻。”

目前，基于廢棄口罩的摩擦納米發電研究還處于實驗室研究階段。實驗中，單個摩擦納米發電機已經可以點亮溫度計、液晶屏幕。如果將多組摩擦納米發電機并聯，有點亮海上航標燈的潛力。

“這種材料（廢棄口罩）的發電性能雖然沒有達到特別理想，但使用廢棄材料的造價非常低，同時還解決了一個環境難題。”梁茜說，“目前，一個摩擦納米發電機中約90%的材料由回收口罩制成。下一步，我們考慮將口罩中的金屬‘鼻梁條’制成電極、電線等，進一步提高口罩的回收利用率。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202409422