廣西大學王雙飛院士團隊段青山課題組【Chem. Eng. J.】：通過氣敏增強效應實現高氨敏摩擦電材料
01 研究背景
氨氣（NH3）對人體組織和免疫系統有害，并能抑制細胞生長，同時也是診斷肝硬化等疾病的重要生物標志物。在微生物活動和氨基酸脫羧作用的影響下，富含蛋白質的食物（如魚、蝦、豬肉）在變質過程中會釋放NH3。因此，NH3傳感器在食品安全、環境監測和醫療診斷等領域具有重要應用價值。近年來，基于摩擦電與靜電感應耦合效應的摩擦電納米發電機（TENG）因其材料選擇廣泛、成本低、結構簡單等優點受到廣泛關注。作為集成自供電傳感器，TENG在氣體濃度監測方面展現出巨大潛力，并被廣泛研究用于食品質量監測。
02 文章概述
近日，廣西大學王雙飛院士團隊基于天然木材的多孔結構和PANI/SnO2界面處形成的p-n異質結，制備了一種高靈敏度的實時自供電NH3傳感器。該傳感器可在寬工作范圍（25%~99% RH，-20~20 ℃）下表現出優異的穩定性。研究采用堿溶液處理天然木材，提升孔隙率（73.04%）和比表面積（17.4 m2/g），并在摻雜氧化錫（SnO2）修飾的木材支架上原位生長聚苯胺（PANI），構建導電網絡，實現高性能NH3敏感摩擦電材料的制備。這項成果以題為《Highly ammonia-sensitive triboelectric materials enabled by gas-sensing enhancement effect》發表在最新一期的《Chemical Engineering Journal》期刊上，2022級碩士研究生羅懿為第一作者，段青山副教授為通訊作者，栗劍鋒、何娟霞、宋旭玲、許貝、章志君、趙佳敏、謝雨欣、張雅琪、王正峰、尚柏均、周敏新、聶雙喜參與研究。
03 文章導讀
1. 摩擦電材料的設計策略
在本研究中，摩擦電材料的設計策略通過三步制備而成。首先，天然輕木經過堿處理后形成了大量的多通道孔隙，這為PANI原位生長提供了豐富的活性位點。采用真空浸漬法將SnO2納米顆粒和苯胺單體引入支架，SnO2納米顆粒附著在木材細胞壁上，苯胺分子通過氫鍵與纖維素結合。最后，加入過硫酸銨，誘導苯胺單體在支架上原位聚合，形成導電網絡。PANI與SnO2形成的p-n異質結進一步增強了材料對NH3的響應能力。
2. 摩擦電材料的表征
通過 XPS、XRD、TEM、SEM、FTIR 等表征手段分析了該NH3敏感摩擦電材料的組成和結構。結果表明，PANI/SnO2在輕木支架上成功構建，并通過氫鍵與纖維素結合。無定形PANI與SnO2緊密結合，兩者之間存在明顯的界面，證實了PANI/SnO2的p-n異質結形成。
3. 摩擦電材料的摩擦電性能
利用該摩擦電材料設計了一種自供電傳感器。結果表明，當SnO2的添加量為0.2 g時，表現出最佳的輸出性能，開路電壓達到50 V。這可能是因為添加了n型SnO2改變功函數并在適當的SnO2添加量下增加摩擦電層材料的表面電荷密度含量，增強其電性能實驗。該傳感器在-20~35 °C環境下能保持穩定的能量收集效率，經過40000次循環測試后性能穩定。在25%~99% RH的濕度范圍內信號穩定，在2 Hz運行條件下輸出電壓可達50 V，最大瞬時功率密度達2.5 μW/cm2。
4. 摩擦電材料的氨氣敏感性能
當PANI暴露于NH3氣氛中時，發生氧化聚合形成N—H?鍵（質子化），導致載流子濃度降低、電阻增加。摻雜HCl的PANI能產生更多質子，增強導電性和對NH3的敏感性。將SnO2摻入PANI中時，由于兩者費米能級差異，電子從高能級轉移至低能級，SnO2中的電子與PANI中的空穴相互擴散，直到費米能級平衡，同時形成p-n異質結和耗盡層。引入NH3時，吸附在表面的NH3分子提取質子，導致PANI中的空穴和SnO2中的電子朝相反方向移動，直到費米能級達到新平衡。此過程增加了界面處的耗盡層厚度，進而提高電阻。p-n異質結的電學敏感性使得該材料能有效放大NH3信號，增強對低濃度NH3的檢測能力。實驗表明，傳感器在NH3濃度為100 ppm時的響應率達到40%，檢測限為5 ppm，且具有快速響應（14 s）/恢復（35 s）能力，并表現出優異的選擇性。
5. 自供電氨氣傳感器的應用演示
本研究基于BPST的氣體傳感器通過檢測NH3分子與摩擦電材料表面相互作用引起的摩擦電性能差異來監測NH3。我們設計了一個無線實時傳感系統，將檢測結果轉化為電信號并通過藍牙傳輸至APP顯示。通過觀察不同溫度下儲存豬肉的情況，結果顯示：20°C下豬肉腐敗快，NH3濃度升高，傳感器信號峰值下降；4°C下腐敗慢，信號變化小；-20°C下豬肉未腐敗，信號穩定。系統結果與NH?濃度與摩擦電性能的關系一致，證明該傳感器在實時食品質量監測中的潛力。
04 結論
綜上所述，本研究成功開發了一種基于多孔輕木支架和PANI/SnO2異質結的集成型天然木質NH3傳感器，其檢測范圍寬廣，檢測限低，能夠在室溫及冷凍溫度下進行實時食品質量評估。輕木支架為SnO2納米粒子提供了豐富的附著點，并為PANI的原位生長提供了成核位點。由PANI/SnO2形成的異質結結構在NH3感應增強效應中起著關鍵作用，顯著提高了室溫下NH3的靈敏度和檢測限。此外，它還表現出在高濕度（99% RH）和低溫（-20 °C）下的良好穩定性。本研究為自供電氣體傳感器在食品質量監測和環境安全檢測領域提供了新的研究思路。未來，該技術有望在食品冷鏈、工業廢氣監測和醫療診斷等方面發揮作用。
原文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160466