CRPS：成会明/侯鹏翔/刘畅团队利用单壁碳纳米管薄膜构建柔性自供能气体传感器 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

近期，中国科学院金属研究所利用单壁碳纳米管薄膜的透明导电性、柔韧性、及对环境变化敏感等特性，构建了NO₂气体传感单元和单壁碳纳米管/硅异质结太阳能电池单元，进而集成构建出柔性自供能气体传感系统。2022年11月30日，该研究以“A self-powered flexible gas-sensing system based on single-wall carbon nanotube films”为题，发表在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上。论文第一作者为郭舒予、胡显刚；论文通讯作者为侯鹏翔、刘畅、成会明。

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研究亮点

1. 设计制备出基于单壁碳纳米管薄膜的柔性自供能气体传感器；

2. 由于传感单元和自供能单元的协同作用，光驱动的传感器表现出优异性能；

3. 该传感系统可实现无线人机通讯。

物联网的出现和快速发展，迫切需要研发自供能柔性传感器。由于传感器分布广泛且数量巨大，传统的集中电网和电池供能并非物联网时代传感器供能的理想模式；为此，科研人员发展了基于压电、热电、（纳米）摩擦电、水伏及生物燃料电池和光伏电池等新型能源收集和供给技术，但大多数技术存在制造过程复杂、功率密度较低以及难以与传感元件集成的问题。

近期，中国科学院金属研究所利用单壁碳纳米管薄膜的透明导电性、柔韧性、及对环境变化敏感等特性，构建了NO₂气体传感单元和单壁碳纳米管/硅异质结太阳能电池单元，进而集成构建出柔性自供能气体传感系统。在室温下，自供能传感器（较外部电源驱动的传感器）具有高灵敏度和快速响应速率。研究者将这种优异传感性能归因于单壁碳纳米管在传感和供电组件中载流子浓度的增加。此外，研究者通过自制超低功耗蓝牙模块演示了自供能传感系统与手机之间的无线通信，展现出在其物联网时代的应用潜力。

图1.基于小管束单壁碳纳米管薄膜的柔性自供能气体传感器

研究者设计的柔性自供能气体传感器为集成了小管束单壁碳纳米管薄膜基的气体传感单元和小管束单壁碳纳米管/硅异质结太阳能电池自供能单元的传感系统。其中小管束单壁碳纳米管薄膜比表面积大，有助于其与气体的相互作用。且小管束单壁碳纳米管薄膜的透明导电性好，利用光透过和空穴传输。所构建的单壁碳纳米管/硅异质结太阳能电池供能单元在标准太阳光照强度下能稳定提供约0.5V的电压，且柔韧性良好。

图2. 柔性SWCNT/Si异质结太阳能电池

柔性自供能气体传感器对NO₂的响应时间和响应值分别为外接电源供电传感器的2.3和3.3倍，而且避免了普通碳纳米管气体传感器通常存在的漂移问题。

图3. 自供能传感器和外接电源传感器的传感性能

自供能传感器比外部供能传感器性能更优的可能原因是传感单元和供能单元的协同作用。

图4. 自供能传感器的传感过程示意图

通过连接自制的超低功耗蓝牙模块，传感器可将检测到的NO₂信号发送给手机，以示警告。

图5. 无线传感功能的实现

小结

研究者利用单壁碳纳米管薄膜构建了柔性、高性能自供能气体传感器，可望应用于可穿戴设备、实时健康监测和深空探测等领域。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science 上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

A self-powered flexible gas-sensing system based on single-wall carbon nanotube films

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00474-X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101163

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