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王雙飛院士團隊 Nano Energy：纖維素摩擦電氣凝膠用于食品安全智能監測

2023-12-28 來源：高分子科技

氣凝膠被譽為“21世紀的奇跡材料”，以其超輕、高比表面積、超低的導熱性等特性，以成功應用于太空材料、顆粒物捕獲、智能傳感器等領域，是新型智能材料的理想候選。其中，纖維素氣凝膠將高孔隙率和綠色可再生有機結合，是傳統不可再生氣凝膠的優良替代品。然而，對纖維素氣凝膠而言，其豐富內在的動態氫鍵結構使得其在嚴重形變條件下易發生結構崩潰。這種結構不穩定性嚴重影響了其作為智能材料的機械穩定性和響應準確性。合理設計的異質界面可以促進電子在材料中的傳輸，降低傳導損耗，顯著影響材料的導電性，實現對智能材料響應準確性的調控。因此，通過設計和控制異質界面，可以為纖維素氣凝膠在傳感器等智能材料領域的應用提供合理的策略。

近日，王雙飛院士團隊通過簡單的策略制備了一種具有分級多孔結構的纖維素基摩擦電氣凝膠（CPC-氣凝膠）。氧化納米纖維素（TCNF）與碳納米管（CNT）形成的氫鍵異質界面影響了材料的力學行為，結合碳納米管的堅固特性，纖維素氣凝膠的抗壓縮形變能力提高了40倍。同時，CPC-氣凝膠表現出優異的孔隙率（97.23%）。作為智能材料該氣凝膠對氨氣顯示出極強的感知性，以該氣凝膠為基材的摩擦電氣體傳感器能夠在20-150 ppm范圍內準確識別NH₃濃度變化，實現了對食物質量的實時無線檢測。本研究為纖維素氣凝膠在智能材料領域的應用提供了參考。該成果以 “Hierarchical Porous Triboelectric Aerogels Enabled by Heterointerface Engineering”為題發表在最新一期的《Nano Energy》期刊上。

圖1. 摩擦電氣凝膠的設計與制備

CPC-氣凝膠是一種由TCNF、PVA和CNT復合而成的多孔道堆疊材料（圖1）。TCNF與CNT的結合形成了異質界面，在界面附近發生了晶體結構和電子結構的轉變，賦予了氣凝膠獨特的性質。兩種材料晶體結構的不匹配可能影響界面區域附近的應力，位錯的形成有利于提升界面穩定性和實現界面傳輸優化。不同材料之間的費米能差異會導致跨界面的電子轉移，產生內在電場和空間電荷區域，影響電荷傳輸和界面極化。兩種材料的介電性質差異也會引發正負電荷的不均勻分布，從而加強極化松弛。超景深三維顯微鏡結果顯示，CNT在氣凝膠孔道中分布均勻，形成了穩定的多孔網絡。與單一的TCNF氣凝膠相比，CPC-氣凝膠顯示出更多的孔洞和更高的孔隙率，顯著增加了與氣體分子的結合點位，同時提高了摩擦電效應，為后續該材料作為氣敏材料和摩擦電傳感器提供了良好的基礎。

圖2. CPC-氣凝膠的結構與表征

PVA的加入使氣凝膠的孔隙密度下降，而CNT具有光滑的碳六環惰性表面結構，能夠緩解PVA和TCNF的交聯，增加了氣凝膠內部空間，當添加量為0.15 g時孔隙率達到最大值，同時，CNT提升了氣凝膠的抗壓縮能力，添加CNT后CPC-氣凝膠的抗壓縮能力較TCNF氣凝膠提高了4000%。良好的機械及抗壓縮性能為其在摩擦電氣體傳感器上的應用奠定了基礎。

圖3. CPC-氣凝膠基摩擦電性能

CPC-氣凝膠表現出顯著高于TCNF氣凝膠的電輸出性能。CPC-氣凝膠的開路電壓可達150 V，導電性優良的CNT的加入使氣凝膠導電性顯著增強。結果表明，在電阻為9×10⁶ Ω時，TCNF、CPC-氣凝膠峰值功率獲得了最高輸出功率分別為220 μW/cm²、10 μW/cm²。CPC-氣凝膠具有出色的穩定性和可靠性，在循環接觸5000次后，依然具有穩定的電輸出性能。

圖4. CPC-氣凝膠的氨氣傳感性能與機制

圖4顯示了CPC-氣凝膠基TENG的氨氣傳感機理。當CPC-氣凝膠暴露在自然環境中時，氧分子轉化為化學吸附氧陰離子（O^2?），俘獲電子并在CPC-氣凝膠表面形成電子損耗層，使其表現出高電阻狀態。當接觸氨氣時，氨氣分子被O^2?氧化，被捕獲的電子被釋放回氣凝膠表面，降低了TCNF/PVA/CNT氣凝膠的內阻。結果顯示，不同氨氣濃度下CPC-氣凝膠材料電阻率的變化與電壓變化趨勢保持一致。TENG在不同氨氣濃度下響應的擬合值：Y= 0.00485X-0.00514，表現出良好的線性度（R²=0.996）。

圖5.摩擦電氣體傳感器應用于食品質量監測

CPC-氣凝膠基摩擦電氣體傳感器，其主要通過氨氣分子作用于摩擦電材料表面引起摩擦電性能的差異化，從而實現自供電氨氣傳感。隨著肉類的腐敗，其釋放的氨氣濃度逐漸增加，無線傳感輸出信號呈下降趨勢，與先前測得的氨氣與摩擦電性能之間的關系保持一致。CPC-氣凝膠摩擦電材料用于自供電氣體傳感具有理想的可靠性。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523010601

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（責任編輯：xu）

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