聂双喜教授团队Advanced Science：用于自供电气体传感的气敏纤维素摩擦电材料

第一作者：张旺林

通讯作者：聂双喜

通讯单位：广西大学

【研究亮点】

1、构建了一种具有分层结构的高选择性的气敏纤维素摩擦电材料，并将其应用于自供电气体传感，缓解了气敏材料选择性低的难题。

2、纤维素摩擦电材料对氨气具有快的响应/恢复(12 s/14 s) 、高灵敏度响应(Vair/Vgas=2.1)、高选择性响应(37.6 %)以及低检测极限(10 ppm)。

3、将传感信号无线传输至用户界面,实现实时在线可视化气体监测。

【研究背景】

随着现代社会的发展，各类有毒有害气体、易燃易爆气体对人类居住的环境影响越来越严重，因此开发准确快速探测目标气体的气体传感器是科学研究的重要任务之一。气敏材料作为气体传感器最核心的组成部件，是衡量气体传感器气敏性能的标准，近年来其在气体传感领域得到了广泛的应用。然而，常见的气敏材料制备复杂、应用场景有限、响应性差等因素限制了其在日常生活中的广泛应用。因此，开发一种制作简单、选择性高、响应性好的气敏材料显得极其紧迫。

【文章概述】

近日，广西大学聂双喜教授团队采用“间歇式抽滤”的策略，构建了一种具有分层结构的高吸附性的气敏纤维素摩擦电材料，并将其应用于自供电气体传感。通过将水浴过程中水解的活性硅醇单体或低聚物物理吸附到纤维素的羟基上，接着再引入Ti₃C₂T_x。然后进行间歇式抽滤。随着抽滤次数的增加，分层排列的片间距逐渐变小，逐渐形成分层结构。研究发现，得到的纤维素摩擦电材料对氨气具有快的响应/恢复(12 s/14 s) 、高灵敏度响应(Vair/Vgas=2.1)、高选择性响应(37.6 %)以及低检测极限(10 ppm)。此外，该材料还能在10 -120 ppm范围内准确识别氨气浓度变化，并将信号无线传输至用户界面,为实时在线监测环境中的氨气提供便利。这项成果以题为“Gas-Sensitive Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Ammonia Sensing”发表在Advanced Science期刊上。

【图文导读】

图1. 气敏纤维素摩擦电材料的设计与应用。a) 柚子皮内表面的层状结构。b) 气敏纤维素摩擦电材料截面分层结构。c) 气敏纤维素摩擦电材料用于自供电气体传感示意图。

图2. 气敏纤维素材料的制备与表征。a) 分层结构气敏纤维素摩擦电材料制备流程。b) 三种薄膜的ATR表征。c) 三种薄膜的XRD表征。d) 三种薄膜的Raman表征。e) 三种薄膜的XPS表征。f) 不同Ti₃C₂T_x含量薄膜的力学性能对比。g) 三种薄膜的表面粗糙度对比。h) 三种薄膜的电导率对比。i) PFOTES-Ti₃C₂T_x-CNF薄膜的映射图。

图3.气敏纤维素材料的摩擦电性能。a) PFOTES-Ti₃C₂T_x-CNF TENG的结构示意图。b) PFOTES-Ti₃C₂T_x-CNF TENG工作原理示意图。c) 三种薄膜的输出电荷对比。d) 三种薄膜的输出电压对比。e) 三种薄膜的输出电流对比。f) 不同Ti₃C₂T_x含量薄膜的输出电压对比。g) 三种薄膜的负载输出电压对比。h) 三种薄膜的负载输出电流对比。i) 三种薄膜的负载输出功率对比。j) PFOTES-Ti₃C₂T_x-CNF TENG输出稳定性测试。

图4. 纤维素摩擦电材料用于氨气传感。a) 分层结构对氨气吸附示意图. b) 氨气传感机理示意图。c) 有无氨气条件下的电流输出图。d) 有无氨气条件下的电压输出图。e) 暴露于不同浓度氨气下的电压输出图。f) 氨气对尼龙膜输出电性能的影响。g) 对100 ppm 氨气的实时持续响应/恢复过程。h) TENG在不同氨气浓度下的响应拟合曲线。i) TENG在20、60和100 ppm 氨气条件下长期稳定性试验15小时。j) 暴露于100 ppm不同干扰气体时TENG的选择性。k) 暴露于不同浓度氨气下的无线传感电压信号。l) 食物变质时不同时间段的无线传感电压信号。

【结论】

综上所述，本工作制备了一种分层结构的气敏纤维素摩擦电材料，并用于高灵敏度自供电氨气传感器。该自供电氨气传感器对100 ppm的氨气具有快的响应/恢复(12 s/14 s) 、高灵敏度响应(V_air/V_gas=2.1)、高选择性响应(37.6%)以及低检测极限(10 ppm)。此外，该氨气传感器还能在10-120 ppm范围内准确识别氨气浓度变化，并将信号无线传输至用户界面，为在线实时监测环境中的氨气提供便利。这为高性能气敏材料的开发和应用奠定了坚实的基础，并对可扩展的气体传感领域显示出巨大的潜力和应用前景。

Wanglin Zhang, Jiamin Zhao, Chenchen Cai, Ying Qin, Xiangjiang Meng, Yanhua Liu, Shuangxi Nie*. Gas-Sensitive Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Ammonia Sensing. Adv. Sci. 2022, 2203428.

https://doi.org/10.1002/advs.202203428

作者介绍

聂双喜，广西大学教授，博士生导师，“国家技术发明奖”和“国家霍英东青年教师奖”获得者。长期致力于先进纤维素功能材料的开发及其构效关系的深入解析，系统研究了纤维素材料摩擦起电性能影响及关键控制要点，开发了系列高性能纤维素摩擦电材料。研究成果形成了完整的调控纤维素摩擦电性能的理论体系，对实现高性能纤维素基摩擦电材料的应用具有重大意义。系列研究成果在Nature Communications、Materials Today、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy、Small等国际著名期刊上发表SCI论文140余篇，所发表的论文近五年被国际同行引用4000余次，累计入选ESI热点论文1篇、ESI高被引论文13篇。共获授权发明专利27件，其中5项技术已实现成果转化，转让到校总经费387万元。