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聶雙喜教授團隊《Adv. Sci.》：纖維素摩擦電材料在氣體傳感領域新應用

2022-09-03 來源：高分子科技

近年來，氣體泄露造成的環境污染問題日益嚴峻，用于及時監測和特異性識別泄露氣體的氣敏材料的需求不斷增加。因此，設計一種性能優良的氣敏材料非常重要。然而，常見的氣敏材料選擇性低、應用場景有限、響應性差等因素限制了其在家庭和工業中的廣泛應用。同時，氣敏材料的對待測氣體吸附性能的強弱，也直接影響了該材料監測的最低極限。因此，開發一種吸附能力強、選擇性高、響應性好的氣敏材料備受期待。

近日，廣西大學聶雙喜教授團隊采用“間歇式抽濾”的策略，構建了一種具有分層結構的高吸附性的氣敏纖維素摩擦電材料，并將其應用于自供電氣體傳感。研究發現，得到的纖維素摩擦電材料對100 ppm的氨氣具有快的響應/恢復(12 s/14 s) 、高靈敏度響應(V_air/V_gass=2.1)、高選擇性響應(37.6 %)以及低檢測極限(10 ppm)。此外，該材料還能在10 -120 ppm范圍內準確識別氨氣濃度變化，并將信號無線傳輸至用戶界面,為實時在線監測環境中的氨氣提供便利。該研究為高性能氣敏復合材料的設計與制備提供了一種嶄新的戰略，也對自供電氣體傳感的研究具有指導意義。這項成果以題為“Gas-Sensitive Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Ammonia Sensing”發表在《Advanced Science》上，廣西大學輕工與食品工程學院碩士生張旺林為論文第一作者，聶雙喜教授為通訊作者。

圖1. 自供電氣敏纖維素摩擦電材料的設計與應用

纖維素納米纖維可從各種生物質資源(例如木材)獲得，具有整齊的一維分層結構，并且富含含氧極性官能團(例如羥基)。分層結構賦予了材料較高的比表面積，這有利于氣體分子與纖維素鏈之間的靜電吸附作用以及表面催化反應。同時分子鏈上豐富的羥基為其提供了可觀的可修飾性，有利于特異性氣敏材料的引入。本工作先將水浴過程中水解的活性硅醇單體或低聚物物理吸附到纖維素的羥基上，接著再引入Ti₃C₂T_x。然后進行間歇式抽濾，逐漸形成分層結構。并采用各種表征手段等對該材料的物理化學性質進行探究。

圖2. 氣敏纖維素摩擦電材料的表征

為了評估氣敏纖維素摩擦電材料氣體傳感的潛力，將其作為TENG的負極摩擦材料在不同濃度的氨氣中進行了測試。材料表面和分層結構中的微/納尺度界面增強納米片單元及其之間的相互連接為氨氣提供了豐富的活性位點，有利于目標氣體的吸附和解吸。研究發現，得到的纖維素摩擦電材料對100 ppm的氨氣具有快的響應/恢復(12 s/14 s) 、高靈敏度響應(V_air/V_gas=2.1)、高選擇性響應(37.6 %)以及低檢測極限(10 ppm)。基于這種可靠的監測方式，并為了更加符合萬物互聯的理念和更加便捷的接收生物信號的信息，設計了接入手機端的無線實時傳感系統。

圖3.纖維素摩擦電材料用于氨氣傳感。

總結：綜上所述，本工作制備了一種分層結構的氣敏纖維素摩擦電材料，并用于高靈敏度自供電氨氣傳感器。該自供電氨氣傳感器對100 ppm的氨氣具有快的響應/恢復(12 s/14 s) 、高靈敏度響應(V_air/V_gas=2.1)、高選擇性響應(37.6%)以及低檢測極限(10 ppm)。此外，該氨氣傳感器還能在10-120 ppm范圍內準確識別氨氣濃度變化，并將信號無線傳輸至用戶界面，為在線實時監測環境中的氨氣提供便利。這為高性能氣敏材料的開發和應用奠定了堅實的基礎，并對可擴展的氣體傳感領域顯示出巨大的潛力和應用前景。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202203428

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（責任編輯：xu）

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