聂双喜教授团队《Adv. Sci.》：纤维素摩擦电材料在气体传感领域新应用

2022-09-03 来源：高分子科技

近年来，气体泄露造成的环境污染问题日益严峻，用于及时监测和特异性识别泄露气体的气敏材料的需求不断增加。因此，设计一种性能优良的气敏材料非常重要。然而，常见的气敏材料选择性低、应用场景有限、响应性差等因素限制了其在家庭和工业中的广泛应用。同时，气敏材料的对待测气体吸附性能的强弱，也直接影响了该材料监测的最低极限。因此，开发一种吸附能力强、选择性高、响应性好的气敏材料备受期待。

近日，广西大学聂双喜教授团队采用“间歇式抽滤”的策略，构建了一种具有分层结构的高吸附性的气敏纤维素摩擦电材料，并将其应用于自供电气体传感。研究发现，得到的纤维素摩擦电材料对100 ppm的氨气具有快的响应/恢复(12 s/14 s) 、高灵敏度响应(V_air/V_gass=2.1)、高选择性响应(37.6 %)以及低检测极限(10 ppm)。此外，该材料还能在10 -120 ppm范围内准确识别氨气浓度变化，并将信号无线传输至用户界面,为实时在线监测环境中的氨气提供便利。该研究为高性能气敏复合材料的设计与制备提供了一种崭新的战略，也对自供电气体传感的研究具有指导意义。这项成果以题为“Gas-Sensitive Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Ammonia Sensing”发表在《Advanced Science》上，广西大学轻工与食品工程学院硕士生张旺林为论文第一作者，聂双喜教授为通讯作者。

图1. 自供电气敏纤维素摩擦电材料的设计与应用

纤维素纳米纤维可从各种生物质资源(例如木材)获得，具有整齐的一维分层结构，并且富含含氧极性官能团(例如羟基)。分层结构赋予了材料较高的比表面积，这有利于气体分子与纤维素链之间的静电吸附作用以及表面催化反应。同时分子链上丰富的羟基为其提供了可观的可修饰性，有利于特异性气敏材料的引入。本工作先将水浴过程中水解的活性硅醇单体或低聚物物理吸附到纤维素的羟基上，接着再引入Ti₃C₂T_x。然后进行间歇式抽滤，逐渐形成分层结构。并采用各种表征手段等对该材料的物理化学性质进行探究。

图2. 气敏纤维素摩擦电材料的表征

为了评估气敏纤维素摩擦电材料气体传感的潜力，将其作为TENG的负极摩擦材料在不同浓度的氨气中进行了测试。材料表面和分层结构中的微/纳尺度界面增强纳米片单元及其之间的相互连接为氨气提供了丰富的活性位点，有利于目标气体的吸附和解吸。研究发现，得到的纤维素摩擦电材料对100 ppm的氨气具有快的响应/恢复(12 s/14 s) 、高灵敏度响应(V_air/V_gas=2.1)、高选择性响应(37.6 %)以及低检测极限(10 ppm)。基于这种可靠的监测方式，并为了更加符合万物互联的理念和更加便捷的接收生物信号的信息，设计了接入手机端的无线实时传感系统。

图3.纤维素摩擦电材料用于氨气传感。

总结：综上所述，本工作制备了一种分层结构的气敏纤维素摩擦电材料，并用于高灵敏度自供电氨气传感器。该自供电氨气传感器对100 ppm的氨气具有快的响应/恢复(12 s/14 s) 、高灵敏度响应(V_air/V_gas=2.1)、高选择性响应(37.6%)以及低检测极限(10 ppm)。此外，该氨气传感器还能在10-120 ppm范围内准确识别氨气浓度变化，并将信号无线传输至用户界面，为在线实时监测环境中的氨气提供便利。这为高性能气敏材料的开发和应用奠定了坚实的基础，并对可扩展的气体传感领域显示出巨大的潜力和应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202203428

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（责任编辑：xu）

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