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中山大学吴进《Mater. Horiz.》:水凝胶基可拉伸、室温工作的NO2传感器及机理

老酒高分子 高分子科技 2022-10-30
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当前,由于健康监测、消费电子和物联网等领域的快速发展和迫切需求,便携式和可穿戴式电子器件引起了越来越多的研究兴趣。其中,气体传感器在环境/健康监测、危险预警等方面具有重要意义。例如,10-6浓度(ppm)量级的二氧化氮(NO2)气体就会损害人体的呼吸系统,且 NO2气体会引发酸雨,危及自然生态与人类健康。传统的气敏材料(例如氧化物半导体)由于缺乏可拉伸性和透明性,以及工作时需要高温条件,因而难以满足可穿戴和柔性电子产品日益增长的需求。

近期,中山大学吴进课题组在期刊《Materials Horizons》上报道了基于水凝胶和有机水凝胶的可拉伸、超灵敏、透明、室温和实时检测的NO2传感器。该NO2传感器在室温下表现出高灵敏度(60.02 %ppm-1)、超低理论检测限(6.8 ppb以及优异的选择性、线性和可逆性,并且可以在拉伸和弯曲变形下工作。同时,该团队首次发现,金属电极会显著影响传感性能。通过实验和分析,明晰NO2传感机制: NO2分子在阴极-水凝胶界面发生的氧化还原反应引起回路电流升高。

此外,该团队还利用有机水凝胶来增强传感器的保湿抗冻能力,有效提高了传感器的长期稳定性。使用设计的电路板和小程序来进行声光警报和无线智能手机警报,推动了水凝胶电子器件的发展。

 

图1 (a)水凝胶的可拉伸性。(b) 水凝胶具有保湿抗冻性。(c) 金属电极对传感器性能具有显著影响。(d) 将传感器用于NO2报警。


 

图2 水凝胶的制备及性质表征。


本文采用简易可控的两步法来制备双网络(DN)水凝胶,从表征结果可见,得到的水凝胶具有良好的透明度,对可见光的透过率均在75%以上。同时,水凝胶可拉伸至原长的十余倍,具有较高的杨氏模量。


 

3 DN水凝胶和有机水凝胶的保湿抗冻性。


利用溶剂置换法将DN水凝胶转变为有机水凝胶后,抗干燥能力、对导电性的保持能力以及抗冻能力都得到显著改善。

 

图4 DN水凝胶基NO2传感器的传感性能。


对制备的两种NO2传感器(Ag-AgCuSn-Ag)进行气敏性能测试,结果表明,两种传感器都表现出较好的传感性能,灵敏度分别为31.18 %ppm-160.02 %ppm-1。当阳极由Ag改为CuSn时,传感器表现出更优的灵敏度、响应/恢复速度、检测极限,这是由于作为阳极的CuSn具有更低的电极电势,更有利于发生氧化反应,进而引起更大程度的电流升高。


 

图5 水凝胶基NO2传感器的传感原理和选择性。


遮蔽电极后的性能测试表明,NO2响应发生在阴极-水凝胶界面处。增大阴极与水凝胶接触的面积后,传感器的响应升高,这表明,反应位点的增加可以引起更大的响应。CuSn-Ag传感器的选择性良好,对NO2检测具有较好的专一性。

 

图6 水凝胶NO2传感器的长期气敏性能、在变形状态下的气敏性能以及相对湿度的影响。


将水凝胶转变为有机水凝胶后,由于含水量下降,NO2响应有所降低,但得益于更优异的保湿性,有机水凝胶传感器的长期气敏性能得到了较好的维持。本文制备的传感器可在变形状态下工作,50%拉伸应变和45°弯曲应变都不会使灵敏度降低。

 

图7 将水凝胶NO2传感器进行报警演示。


将水凝胶传感器与检测电路、蜂鸣器等结合起来,可实现NO2报警。当气氛中存在NO2时,电流升高,达到报警阈值后,报警灯和蜂鸣器均开启,提醒用户及时避险。此外,也可将传感器的实时信号无线传输至手机端的小程序,进行更便携、更智能化的报警。


本文的通讯作者为中山大学的吴进副教授。近年来,该课题组在水凝胶基柔性气体/湿度传感器领域进行了系统性的探索,并在传感器的制备、性能、原理和应用等方面取得了系列研究进展。


论文信息:

Y. Wei, H. Wang, Q. Ding, Z. Wu, H. Zhang, K. Tao, X. Xie and J. Wu*, Hydrogel- and organohydrogel-based stretchable, ultrasensitive, transparent, room-temperature and real-time NO2 sensors and the mechanism. Mater. Horiz., 2022, 9, 1921-1934.

论文链接:

https://doi.org/10.1039/D2MH00284A


相关研究工作:

1. Ultrastretchable, High-performance, and Crosstalk-free Proximity and Pressure Bimodal Sensor Based on Ionic Hydrogel Fibers for Human-Machine Interfaces. Materials Horizons 2022, 9, 1935–1946.

2. Self-healing, Self-adhesive and Stable Organohydrogel based Stretchable Oxygen Sensor with High-performance at Room Temperature. Nano-Micro Letters 2022, 14:52. DOI: 10.1007/s40820-021-00787-0.

3. Deformable, Transparent, High-performance, Room-Temperature Oxygen Sensors Based on Ion-Conductive, Environment-Tolerant and Green Organohydrogels. Ecomat 2022, e12220, DOI:10.1002/eom2.12220

4. Self-healable, recyclable, ultrastretchable and high-performance NO2 sensor based on organohydrogel for wireless, room temperature and below operation. SmartMat 2022, DOI: 10.1002/smm2.1141

5. Ion-Conductive Hydrogel based Stretchable, Self-healing and Transparent NO2 Sensor with High Sensitivity and Selectivity at Room Temperature. Small 2021, 17, 2104997. DOI: 10.1002/smll.202104997

6. Ultrasensitive, stretchable, and transparent humidity sensor based on ionconductive double-network hydrogel thin-films. Science China Materials 2022, 65(1) https://doi.org/10.1007/s40843-021-2022-1


相关进展

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

中山大学吴进课题组《Mater. Horiz.》:高度可拉伸,自修复和抗干燥的双网络有机水凝胶湿度传感器

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