【Nano Energy】自供電氣體傳感應(yīng)用進(jìn)展 https://mp.weixin.qq.com/s/krbXnGpFrA3OV7cgd7i0hw
一：研究背景為了滿足環(huán)境安全，人體健康和食品安全等各種場景下連續(xù)監(jiān)測的需求，氣體傳感器的發(fā)展趨勢是低功耗和小型便攜，方便其以靈活多樣的形式作為移動式節(jié)點(diǎn)組成傳感網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的氣體傳感器在工作過程中高度依賴外部電源供電，這會影響其在移動監(jiān)測和可穿戴傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENGs)可以將分布式機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，與氣體傳感裝置相結(jié)合可以有效實(shí)現(xiàn)自供電氣體傳感，在突破電源限制和實(shí)現(xiàn)移動監(jiān)測方面展現(xiàn)出巨大潛力。二：文章概述近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)就近年來TENGs在氣體傳感領(lǐng)域的研究應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)綜述。概述了氣體傳感的基本原理和發(fā)展趨勢。詳細(xì)介紹了TENG基氣體傳感器的作用機(jī)理和結(jié)構(gòu)，并指出其在環(huán)境友好、室溫傳感和可穿戴設(shè)備上的優(yōu)勢；重點(diǎn)總結(jié)了TENG基氣體傳感器在環(huán)境安全、人體健康和食品安全三個方向的應(yīng)用，以及幾類典型氣體在這些領(lǐng)域的先進(jìn)應(yīng)用。討論了TENG基氣體傳感器在提升TENG電輸出性能、氣體傳感性能、小型化和多功能集成上面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對策略，以期為推動自供電氣體傳感器件的發(fā)展提供參考。該項(xiàng)成果以題為“Advanced Application of Triboelectric Nanogenerators in Gas Sensing”發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nano Energy》上。魯鵬副教授與22級碩士研究生郭小瑤為共同第一作者，王志偉副教授為通訊作者，廖小芳、劉艷華、蔡晨晨、蒙香江、韋芷婷、杜國立、邵宇正、聶雙喜教授參與研究。圖1. 摩擦納米發(fā)電機(jī)在氣體傳感器中的應(yīng)用三：圖文導(dǎo)讀
1.氣體傳感器的基本原理和發(fā)展趨勢典型氣體傳感器樣式主要包括電阻型、電化學(xué)型、光學(xué)型和聲學(xué)型。其中，電阻式氣體傳感器是目前研究和商業(yè)化應(yīng)用的主流。MOS基氣體傳感器的發(fā)展沿著低功耗的方向從微機(jī)電系統(tǒng)向自供電逐步推進(jìn)。圖2. 氣體傳感器的種類、基本原理和發(fā)展趨勢2.TENG基氣體傳感器的兩類典型類別和性能優(yōu)勢
（1）分離式TENG基氣體傳感器在分離式TENG基氣體傳感器中，TENG充當(dāng)電源，氣體傳感裝置作為可變電阻，其阻值的變化取決于目標(biāo)氣體的氧化/還原特性和氣敏材料中占據(jù)數(shù)量優(yōu)勢的載流子類型（電子/空穴）。提升分離式氣體傳感器性能的途徑可以從TENG和氣體傳感裝置兩個方面單獨(dú)展開。圖3. 分離式氣敏傳感器工作原理及性能提升策略（2）一體式TENG基氣體傳感器
在一體式TENG基傳感器中，氣體敏感材料主要有三種存在形式：摩擦電層、電極層或者同時充當(dāng)摩擦層和電極層。當(dāng)目標(biāo)氣體與氣敏材料接觸后，氣體分子在材料表面發(fā)生吸附/解吸會引起材料的摩擦層電性能（載流子濃度或介電常數(shù)）發(fā)生變化或電極層的電阻發(fā)生變化，進(jìn)而影響TENG輸出特性，并指示氣體濃度的變化。當(dāng)氣敏材料兼做摩擦電材料和電極材料時，一方面顯著增強(qiáng)了材料的氣體傳感性能，另一方面，減少了電荷在摩擦層與電極層傳遞時的損失，同時提高了電荷傳遞效率，加快了氣體響應(yīng)/恢復(fù)速度。
圖4. 基于一體式TENG的氣體傳感器工作原理及性能提升策略
（3）TENG基氣體傳感器的性能優(yōu)勢
TENG基氣體傳感器不僅具備TENG的一般優(yōu)勢，例如小尺度的環(huán)境能源高效轉(zhuǎn)化利用，小體積可集成化等，而且在氣體傳感性能上展現(xiàn)出環(huán)境友好，室溫傳感，便攜可穿戴等多重優(yōu)勢。
圖5. TENG基氣體傳感器的性能優(yōu)勢
3.TENG基氣體傳感器的應(yīng)用
TENG基氣體傳感器在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健和公共安全領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。下面，將對這三個應(yīng)用方向的幾個代表性氣體的監(jiān)測進(jìn)行了詳細(xì)論述。
（1）NH3傳感器
NH3傳感器是目前研究最多的TENG基氣體傳感器，其傳感材料多為導(dǎo)電聚合物，如PANI、PPy等，他們具有室溫操作、易于功能化等顯著優(yōu)勢，在室溫下可監(jiān)測的NH3濃度范圍寬。TENG基NH3傳感器在環(huán)境安全監(jiān)測、人體呼出氣監(jiān)測、食品安全等領(lǐng)域都有實(shí)際的應(yīng)用價值。
圖6. NH3監(jiān)測在環(huán)境安全、健康個護(hù)、食品冷鏈運(yùn)輸中的應(yīng)用
（2）CO2傳感器
在TENG基CO2傳感器中，分離式結(jié)構(gòu)氣敏材料以傳統(tǒng)MOS為主；一體式結(jié)構(gòu)氣敏材料需要兼具摩擦電性能，現(xiàn)有研究中PEI可以很好地滿足這種要求。TENG基CO2傳感器常用于大氣環(huán)境監(jiān)測和人體呼吸監(jiān)測。
圖7. CO2監(jiān)測應(yīng)用
（3）水蒸氣傳感器
TENG基水蒸氣傳感器開發(fā)的重點(diǎn)是濕敏材料性能的優(yōu)化。現(xiàn)有濕敏材料趨向于從聚合物、半導(dǎo)體和鈣鈦礦等向環(huán)保型材料發(fā)展，摻雜2D材料可以進(jìn)一步提升其濕敏響應(yīng)特性。TENG基水蒸氣傳感器多用于監(jiān)測人體呼出氣和果蔬新鮮度。
圖8. 濕度監(jiān)測應(yīng)用
（4）甲醛傳感器
TENG基甲醛傳感器可用于監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量和人體健康。有關(guān)TENG基甲醛傳感器的現(xiàn)有研究報道主要聚焦在氣敏材料性能提升上。基于單一聚合物的傳感材料靈敏度較低，單一MOS的傳感材料溫度過高，通過制備聚合物納米復(fù)合材料，可以有效提高甲醛靈敏度，有利于推動其在可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖9. 甲醛監(jiān)測應(yīng)用
（5）乙醇傳感器
TENG基乙醇傳感器主要用于工業(yè)環(huán)境監(jiān)測和呼氣分析。傳統(tǒng)乙醇傳感器的敏感材料多為MOS，然而乙醇在達(dá)到沸點(diǎn)溫度后會從材料表面蒸發(fā)，影響氣體的吸附，因此TENG基乙醇傳感器趨向于開發(fā)室溫傳感材料，結(jié)合新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，正在向手持或便攜式設(shè)備發(fā)展。
圖10. 乙醇監(jiān)測應(yīng)用
（6）H2傳感器
H2傳感器對溫度控制的要求較高，貴金屬鈀、鉑或合金具有高的氫溶解度和擴(kuò)散系數(shù)，用其修飾MOS傳感器可以實(shí)現(xiàn)對H2的優(yōu)異選擇，在氫泄漏的監(jiān)測上發(fā)揮了重要作用。
圖11. H2監(jiān)測應(yīng)用
（7）NO2傳感器
TENG基NO2傳感器主要用于大氣環(huán)境監(jiān)測。常見氣敏材料如2D 層狀過渡金屬硫化物（MoS2、SnS2）和碳納米材料（rGO，CNTs），在室溫下具有優(yōu)異的檢測靈敏度。另外， TENG基NO2傳感器結(jié)合光活化技術(shù)可以有效提高氣體敏感性，使傳感器表現(xiàn)出高度的環(huán)境適應(yīng)性。圖12. NO2監(jiān)測應(yīng)用
四：結(jié)論
將TENG與氣體傳感裝置相結(jié)合在突破傳統(tǒng)氣體傳感器外置電源局限性方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Α１疚脑诤喴攀鰵怏w傳感技術(shù)的基本原理和發(fā)展方向的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述了TENG基氣體傳感的結(jié)構(gòu)組成、作用原理、性能優(yōu)勢，重點(diǎn)討論了TENG基氣體傳感的應(yīng)用方向和幾類典型氣體傳感的應(yīng)用進(jìn)展。隨著IoT和AI的飛速發(fā)展，未來的現(xiàn)場氣體檢測環(huán)境勢必要求小型化和便攜化，開發(fā)具有多功能、柔性可穿戴、綠色低碳等優(yōu)勢集成一體的智能氣敏傳感器將成為一個重要發(fā)展方向。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109672