广西大学聂双喜教授课题组《Nano Energy》：多孔木头基自供电气体传感器，实时检测冷链食品质量

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根据联合国粮食和农业组织报告，全球生产粮食的三分之一（每年13亿吨）会在食品供应链上丢失或浪费。其中一个主要原因是食物在运输途中变质。对食品行业来说，确保在长途运输过程中供应安全和高品质的食品是一个至关重要的问题。易腐食品应在整个供应链上保持冷藏或冷冻状态。比如，在肉类食品腐败过程中，病原菌和腐败微生物生长迅速，包括大肠杆菌、沙门氏菌等。而且，与已经完全变质的食品相比，处于变质过程中的食品质量很难直观地检测出来。因此，对运输过程中的食品安全质量进行及时、准确的评估具有十分重要的意义。虽然目前用于检测变质食物的传感器可以提供非常有效的结果，但它们需要外部有线电源和昂贵而复杂的仪器。因此，有必要开发一种高效、方便的自供电传感器来实时检测冷链中的食品质量。

近日，广西大学轻工与食品工程学院聂双喜教授团队巧妙地利用木头的天然多孔结构，使用简单的化学处理去除部分木质素和半纤维素，并在木头内部负载碳纳米管，获得了力学性能优异且具有氨气敏感特性的导电木基材料。再将其作为介电材料与电极材料结合制备成电源和氨气传感器一体化的木基摩擦纳米发电机（TENG），并结合无线电路模块，设计了一种基于TENG的自供电无线气体传感器系统（TWGSS），成功实现了冷链运输过程中实时无线食品质量评估。TWGSS 可实时监控食品变质关键气体（如氨气），并在高湿度（75%）和低温（-18 °C）下保持出色的稳定性。此性能得益于木材的三维多孔结构和复合材料的氨气敏感特性。木基TENG对氨气表现出优异的灵敏性，输出电压随着氨气浓度升高而降低。此外，木基TENG 在 500 ppm 氨气浓度下表现出 0.85敏感响应值，远高于腐败食品中其他相同浓度下气体的响应值。最后，该研究展示了其在猪肉和鱼肉食品质量评估中的实际应用效果。相关工作以“Integration of a porous wood-based triboelectric nanogenerator and gas sensor for real-time wireless food-quality assessment”为题发表在国际著名能源期刊《Nano Energy》上（2021, DOI: //doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105833）。

图1 摩擦纳米发电机基自供电无线气体传感系统原理示意图

图2 木头材料的结构表征以及力学性能

图3 木基摩擦纳米发电机的原理示意图以及不同条件下的稳定性研究

首先，对木基TENG测试了20000个周期的接触分离，测试过程中电压稳定性好。由于冷链中食品的温度和湿度都在一个特定的范围内，包括冷冻和冷藏。因此，在使用TENG评价冷链中食品质量时，TENG在不同温度和湿度下的稳定性是一个关键因素，在75%湿度或-18℃条件下，电压值变化差异不明显，这也表明此TENG在冷链环境的温度和湿度范围内适用。

图4 木基摩擦纳米发电机作为氨气传感器监测氨气浓度

由于氨气是冷链运输中易腐败食品释放的主要气体，因此在变质过程中监测氨气的浓度水平可用作此类食品的新鲜度指标。研究氨气浓度与食品质量的相关性，对食品的实时监测具有重要意义。为了评估木基TENG在冷链运输过程中实际食品质量评估的潜力，对其进行了不同氨气浓度的灵敏性测试。结果表明，随着氨气浓度的增加，TENG电压值呈现降低趋势；在300ppm氨气环境下，TENG对氨气时实响应时间为9s, 恢复时间为11s; 同时TENG也展现出对氨气独特的敏感特性。

图5 摩擦纳米发电机基自供电无线气体传感器系统实时无线监测食品质量

最后，作者使用TWGSS对猪肉食品进行质量评估，探索了其在监测食品质量领域的应用。TWGSS由TENG、微控制器单元（MCU）、无线发射器和无线接收器组成。MCU 控制无线发射器以发送控制命令，无线接收器将接收该命令以帮助另一个 MCU 控制显示器。结果表明，TWGSS系统可以将食物的腐败程度以氨气浓度数值进行显示；如，当猪肉（500克）在35°C储存48h，氨浓度达到578 ppm；在4°C条件下放置24h, 食物新鲜无氨气释放，系统显示0 ppm。

论文的第一作者为广西大学轻工与食品工程学院2020级博士研究生蔡晨晨，通讯作者为广西大学轻工与食品工程学院聂双喜教授，惠州光都智能科技有限公司吴正阳工程师提供了部分传感技术支持。研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、广西自然科学基金重点项目的资助。

论文信息：

Chenchen Cai, Jilong Mo, Yanxu Lu, Ni Zhang Zhengyang Wu, Shuangfei Wang and Shuangxi Nie*, Integration of a porous wood-based triboelectric nanogenerator and gas sensor for real-time wireless food-quality assessment. Nano Energy, 2021, DOI: //doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105833

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521000914

聂双喜教授课题组博士后招聘及博士、硕士研究生招生信息

一、课题组信息

广西大学聂双喜教授致力于木质纤维利用基础研究，在木质纤维清洁分离与高值化利用方面取得了一系列进展，为木质纤维利用基础研究成果走向应用提供了科学支撑。主持在研国家自然科学基金面上项目和地区基金、广西自然科学基金重点项目。以第一或通讯作者在Advanced Functional Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal等SCI期刊上发表JCR一区TOP论文30篇，累计入选ESI热点论文1篇、ESI高被引论文10篇。长期担任Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Nanoscale等知名期刊审稿人。共获授权发明专利22件，其中6项技术已产业化，转让到校总经费387.34万元。曾获得国家技术发明奖二等奖、教育部技术发明奖一等奖、教育部-霍英东青年教师奖、广西青年科技奖、广西创新争先奖。

二、研究方向

1. 木质纤维材料接触起电机制

2. 木质纤维基先进功能材料

3. 木质纤维基自供电器件

三、长期岗位招聘与招生信息

1. 岗位：博士后；招聘名额：不限；工作内容：专职从事木质纤维利用基础研究，聘期为2年。

2. 岗位：博士研究生；名额：1-2位/年。

3. 岗位：硕士研究生；名额：3-4位/年，其中学位硕士1-2位，专业硕士1-2位。 

四、博士后应聘条件 

1. 已经获得轻工、化工、化学、材料等相关专业博士学位（3年以内），或即将获得博士学位的应届博士研究生；

2. 在相关或相近研究领域已取得一定的研究成果（至少第一作者发表2篇JCR一区SCI论文）

3. 遵纪守法，身心健康，具有良好的思想品德和团队合作精神，具有较强的科学研究能力和较大的学术发展潜力,能够独立开展相关领域的前沿研究。

4. 全脱产博士后，年龄不超过35周岁人事档案转入本校。

五、薪酬福利待遇及科研资助

1. 学校自主招收的全脱产博士后年薪为税前不低于21万元，其中学校每年发放15万元，合作导师每年发放不低于6万元。

2. 按有关规定为全脱产博士后缴纳社会保险或购买商业保险。

3. 为全脱产博士后提供24个月的学校公租住房，免租金。

4. 全脱产博士后的子女入学、入园与学校事业编制教职工子女入学、入园一样享受学校优质的中小幼教育资源。

5. 学校为自主招收的全脱产博士后提供10万元科研启动经费。

六、申请流程

1. 个人申请。应聘者联系合作导师，初步达成合作意向后，将应聘材料发送至拟进流动站邮箱。应聘材料主要包括：个人简历及证明身份、科研成果的佐证材料。

2. 进站考核。流动站审核后组织应聘者参加进站考核，考核通过后报学校审批。

3. 进站审批。校内审批手续办理完毕后，由应聘者个人登录“中国博士后”网站，注册个人信息并按要求提交进站材料，学校系统审核后报全国博管委审批，通过后办理进站手续。

4. 签订合同。博士后进站手续办理完毕后，由校人力资源处与其签订博士后工作协议。

七、联系人

联系人：聂老师

邮箱地址：[e-mail]

地址：广西南宁市大学东路100号广西大学轻工与食品工程学院304室

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