【Nano Energy】自供电气体传感应用进展 https://mp.weixin.qq.com/s/krbXnGpFrA3OV7cgd7i0hw
一：研究背景为了满足环境安全，人体健康和食品安全等各种场景下连续监测的需求，气体传感器的发展趋势是低功耗和小型便携，方便其以灵活多样的形式作为移动式节点组成传感网络。传统的气体传感器在工作过程中高度依赖外部电源供电，这会影响其在移动监测和可穿戴传感领域的应用。摩擦纳米发电机(TENGs)可以将分布式机械能转化为电能，与气体传感装置相结合可以有效实现自供电气体传感，在突破电源限制和实现移动监测方面展现出巨大潜力。二：文章概述近日，王双飞院士团队就近年来TENGs在气体传感领域的研究应用进展进行了系统综述。概述了气体传感的基本原理和发展趋势。详细介绍了TENG基气体传感器的作用机理和结构，并指出其在环境友好、室温传感和可穿戴设备上的优势；重点总结了TENG基气体传感器在环境安全、人体健康和食品安全三个方向的应用，以及几类典型气体在这些领域的先进应用。讨论了TENG基气体传感器在提升TENG电输出性能、气体传感性能、小型化和多功能集成上面临的挑战和应对策略，以期为推动自供电气体传感器件的发展提供参考。该项成果以题为“Advanced Application of Triboelectric Nanogenerators in Gas Sensing”发表在国际学术期刊《Nano Energy》上。鲁鹏副教授与22级硕士研究生郭小瑶为共同第一作者，王志伟副教授为通讯作者，廖小芳、刘艳华、蔡晨晨、蒙香江、韦芷婷、杜国立、邵宇正、聂双喜教授参与研究。图1. 摩擦纳米发电机在气体传感器中的应用三：图文导读
1.气体传感器的基本原理和发展趋势典型气体传感器样式主要包括电阻型、电化学型、光学型和声学型。其中，电阻式气体传感器是目前研究和商业化应用的主流。MOS基气体传感器的发展沿着低功耗的方向从微机电系统向自供电逐步推进。图2. 气体传感器的种类、基本原理和发展趋势2.TENG基气体传感器的两类典型类别和性能优势
（1）分离式TENG基气体传感器在分离式TENG基气体传感器中，TENG充当电源，气体传感装置作为可变电阻，其阻值的变化取决于目标气体的氧化/还原特性和气敏材料中占据数量优势的载流子类型（电子/空穴）。提升分离式气体传感器性能的途径可以从TENG和气体传感装置两个方面单独展开。图3. 分离式气敏传感器工作原理及性能提升策略（2）一体式TENG基气体传感器
在一体式TENG基传感器中，气体敏感材料主要有三种存在形式：摩擦电层、电极层或者同时充当摩擦层和电极层。当目标气体与气敏材料接触后，气体分子在材料表面发生吸附/解吸会引起材料的摩擦层电性能（载流子浓度或介电常数）发生变化或电极层的电阻发生变化，进而影响TENG输出特性，并指示气体浓度的变化。当气敏材料兼做摩擦电材料和电极材料时，一方面显著增强了材料的气体传感性能，另一方面，减少了电荷在摩擦层与电极层传递时的损失，同时提高了电荷传递效率，加快了气体响应/恢复速度。
图4. 基于一体式TENG的气体传感器工作原理及性能提升策略
（3）TENG基气体传感器的性能优势
TENG基气体传感器不仅具备TENG的一般优势，例如小尺度的环境能源高效转化利用，小体积可集成化等，而且在气体传感性能上展现出环境友好，室温传感，便携可穿戴等多重优势。
图5. TENG基气体传感器的性能优势
3.TENG基气体传感器的应用
TENG基气体传感器在环境监测、医疗保健和公共安全领域具有广泛的应用前景。下面，将对这三个应用方向的几个代表性气体的监测进行了详细论述。
（1）NH3传感器
NH3传感器是目前研究最多的TENG基气体传感器，其传感材料多为导电聚合物，如PANI、PPy等，他们具有室温操作、易于功能化等显著优势，在室温下可监测的NH3浓度范围宽。TENG基NH3传感器在环境安全监测、人体呼出气监测、食品安全等领域都有实际的应用价值。
图6. NH3监测在环境安全、健康个护、食品冷链运输中的应用
（2）CO2传感器
在TENG基CO2传感器中，分离式结构气敏材料以传统MOS为主；一体式结构气敏材料需要兼具摩擦电性能，现有研究中PEI可以很好地满足这种要求。TENG基CO2传感器常用于大气环境监测和人体呼吸监测。
图7. CO2监测应用
（3）水蒸气传感器
TENG基水蒸气传感器开发的重点是湿敏材料性能的优化。现有湿敏材料趋向于从聚合物、半导体和钙钛矿等向环保型材料发展，掺杂2D材料可以进一步提升其湿敏响应特性。TENG基水蒸气传感器多用于监测人体呼出气和果蔬新鲜度。
图8. 湿度监测应用
（4）甲醛传感器
TENG基甲醛传感器可用于监测室内空气质量和人体健康。有关TENG基甲醛传感器的现有研究报道主要聚焦在气敏材料性能提升上。基于单一聚合物的传感材料灵敏度较低，单一MOS的传感材料温度过高，通过制备聚合物纳米复合材料，可以有效提高甲醛灵敏度，有利于推动其在可穿戴领域的应用。
图9. 甲醛监测应用
（5）乙醇传感器
TENG基乙醇传感器主要用于工业环境监测和呼气分析。传统乙醇传感器的敏感材料多为MOS，然而乙醇在达到沸点温度后会从材料表面蒸发，影响气体的吸附，因此TENG基乙醇传感器趋向于开发室温传感材料，结合新颖的结构设计，正在向手持或便携式设备发展。
图10. 乙醇监测应用
（6）H2传感器
H2传感器对温度控制的要求较高，贵金属钯、铂或合金具有高的氢溶解度和扩散系数，用其修饰MOS传感器可以实现对H2的优异选择，在氢泄漏的监测上发挥了重要作用。
图11. H2监测应用
（7）NO2传感器
TENG基NO2传感器主要用于大气环境监测。常见气敏材料如2D 层状过渡金属硫化物（MoS2、SnS2）和碳纳米材料（rGO，CNTs），在室温下具有优异的检测灵敏度。另外， TENG基NO2传感器结合光活化技术可以有效提高气体敏感性，使传感器表现出高度的环境适应性。图12. NO2监测应用
四：结论
将TENG与气体传感装置相结合在突破传统气体传感器外置电源局限性方面展现出巨大的优势和发展潜力。本文在简要概述气体传感技术的基本原理和发展方向的基础上，系统阐述了TENG基气体传感的结构组成、作用原理、性能优势，重点讨论了TENG基气体传感的应用方向和几类典型气体传感的应用进展。随着IoT和AI的飞速发展，未来的现场气体检测环境势必要求小型化和便携化，开发具有多功能、柔性可穿戴、绿色低碳等优势集成一体的智能气敏传感器将成为一个重要发展方向。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109672