中山大学吴进Small：离子导电水凝胶基可拉伸、自愈合、透明、高灵敏度和选择性的室温NO₂气体传感器

点击上方“蓝字” 一键订阅

近年来，可穿戴、便携式和智能电子设备的发展引起了人们对皮肤适应性传感器(电子皮肤)的极大兴趣。模仿人体多功能感知 (如温度、压力、湿度、触觉)能力的传感器和具有化学识别/警告功能的电子鼻(e-Nose)，可用于实时健康监测，医疗诊断和环境监测。特别是自愈能力和延展性是表皮和植入式传感器的基本要求，顺应皮肤和器官的自我修复和变形能力。此外，自愈能力也是延长设备寿命的首选。值得注意的是，高透明度拓宽了水凝胶的应用范围。例如，透明、导电的水凝胶可用于制成可拉伸屏幕部件、隐形电子皮肤和具有传感功能的智能窗口等。  

空气污染是危害健康的主要因素之一，也是众所周知的“无声杀手”。有毒气体每年在世界范围内造成数百万人患病和过早死亡。因此，具有气体传感功能的可穿戴电子设备的研究备受关注。为解决传统NO₂ 气体传感器需要高温、有氧、且需搭载柔性衬底才可实现一定柔性的难题，最近，中山大学吴进课题组利用离子导电水凝胶制备出本征可拉伸、自愈合、透明、高灵敏度和选择性的常温NO₂ 气体传感器，其在无氧和有氧条件下都能工作。研究表明，本征可拉伸且自愈合的离子导电水凝胶能在常温、零下温度及全湿度范围内工作，其响应机理是基于电极-水凝胶界面处的氧化还原反应。在干燥条件下，传感器的灵敏度高达119.9%/ppm，理论检测极限低至86ppt。该研究不仅拓展了水凝胶在可拉伸气体传感器上的应用，且揭示并验证了水凝胶气体传感器的工作机理，明晰了性能的关键影响因素，为后续设计高性能的气体传感器提供了参考。

图1. 可拉伸、自愈合、透明的水凝胶结合银电极实现了在空气和厌氧环境中的NO₂ 气体检测

图2. 离子导电双网络水凝胶的制备过程及材料特性表征

传统的水凝胶在常温和高温下易失水，并在低温下易结冰，导致器件易失效。本研究利用简单的CaCl₂ 溶液浸泡法可赋予水凝胶良好的保湿抗冻能力。DSC测试表明4M CaCl₂溶液浸泡后水凝胶的冰点降至-57.9℃。这使其在很宽温度和湿度范围内能正常工作。另外，这样制备的离子导电水凝胶极大地保留了其透明性、可拉伸性和机械强度。

图3. 水凝胶在无氧环境下对NO₂ 气体的传感机理：电极-水凝胶界面的氧化还原反应

本研究提出水凝胶NO₂ 传感器的响应机理为水凝胶-银电极界面处的氧化还原反应。在外加直流电压下，NO₂ 在水凝胶-阴极界面被还原成NO，对应的阳极处Ag被氧化且形成AgCl沉淀。通过对比长时间NO₂ 气敏测试前后的电极变化，证明阳极在与水凝胶接触的界面处生成AgCl，而阴极保持光滑。进一步，通过设计局部遮挡实验，证实NO₂ 主要在阴极处发生反应（遮挡阴极后暴露阳极和水凝胶都不能产生响应）。且通过增加银线电极缠绕圈数的方法增大接触面积，有效地提升了气敏响应，再次证实了NO₂ 在阴极-水凝胶界面发生氧化还原反应的机理。

图4. 水凝胶在不同温度、湿度环境下对NO₂ 的响应特性

图5.水凝胶气体传感器在不同应变和自愈合前后的NO₂ 传感特性

水凝胶NO₂ 传感器能在全湿度环境和高、低温环境下进行NO₂ 检测，且在干燥状态下灵敏度更高。得益于本征可拉伸的特点,水凝胶NO₂ 传感器能在0-100%应变状态下检测NO₂ ，灵敏度基本不受拉伸形变的影响，且恢复速度和响应速度更是随拉伸而缩短。因为NO₂ 响应发生在电极-水凝胶界面，水凝胶本身断裂并自修复后不影响界面处的反应，气敏响应特性仍保持良好。

图6. 水凝胶和其它气体传感器的综合性能比较与选择性研究

通过研究传感器对一系列不同气体的响应，发现除NO₂ 以外传感器对其它气体均无明显响应，显示出优异的选择性。这主要是由于NO₂ 氧化性强，容易在水凝胶-电极界面被还原；相对而言，NH₃虽然具备还原性，但因为极易溶于水，被水凝胶吸附并水解。而经过CaCl₂浸泡的水凝胶具备高电导率，NH₃水解引起的电导变化几乎可忽略。其他气体则因氧化还原性弱而很难发生电化学反应。

图7. 空气环境下对NO₂的检测机理：与氧气的竞争反应

值得注意的是，虽然空气中含有O₂这一干扰性气体，传感器仍能对NO₂ 做出响应，而响应趋势与厌氧环境下相反（电流下降）。这是因为氧还原（ORR）为4电子反应，而NO₂ 还原为2电子反应，NO₂ 与氧竞争抢占反应位点，产生更少的得失电子进而导致电流下降。另外，NO₂ 还原成NO会消耗氧气。

中山大学电子与信息工程学院吴进副教授为本文唯一通讯作者，博士生吴子轩为第一作者。

论文信息：

Ion-Conductive Hydrogel-Based Stretchable, Self-Healing, and Transparent NO₂ Sensor with High Sensitivity and Selectivity at Room Temperature

Zixuan Wu, Limin Rong, Jinglan Yang, Yaoming Wei, Kai Tao, Yubin Zhou, Bo-Ru Yang, Xi Xie, Jin Wu*

Small

https://doi.org/10.1002/smll.202104997

相关进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多