气体传感器是一种能够检测目标气体的种类及浓度,并将其以电信号进行输出的器件。其中，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工艺复杂、应用场景有限、选择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备受期待。
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。首先，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Ti3C2Tx。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。这项成果发表在Advanced Science 上。广西大学为该论文的唯一完成单位，第一作者为广西大学轻工与食品工程学院2020级硕士研究生张旺林，通讯作者为聂双喜教授。
图1.纤维素摩擦电材料用于自供电气体传感。
纤维素作为一种环境友善的可再生高分子材料，具有很大的应用潜力和生态效益。此外，纤维素纳米纤维可从各种生物质资源（例如木材）获得，具有整齐的一维分层结构，并且富含含氧极性官能团（例如羟基）。分层结构赋予了材料较高的比表面积，这有利于气体分子与纤维素链之间的静电吸附作用以及表面催化反应。同时分子链上丰富的羟基为其提供了可观的可修饰性，有利于特异性气敏材料的引入。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Ti3C2Tx。然后进行间歇式抽滤，将滤液分多次进行抽滤以确保分层结构的保留。利用多种表征手段对薄膜表面官能团和相关性能进行表征，评价表面改性效果。
图2. 纤维素摩擦电材料的制备与表征。
将该材料作为TENG的负极摩擦材料在不同浓度的氨气中进行了测试。研究发现，得到的纤维素摩擦电材料对100 ppm的氨气具有快的响应/恢复、高灵敏度响应、高选择性响应以及低检测极限。基于这种可靠的监测方式，并为了更加符合万物互联的理念和更加便捷的接收生物信号的信息，设计了接入手机端的无线实时传感系统。
图3. 纤维素摩擦电材料用于氨气传感。
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。这项工作为在线实时监测环境中的氨气提供便利，也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。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Gas-Sensitive Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Ammonia Sensing
Wanglin Zhang, Jiamin Zhao, Chenchen Cai, Ying Qin, Xiangjiang Meng, Yanhua Liu, Shuangxi Nie
Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1002/advs.202203428
导师介绍
聂双喜
https://www.x-mol.com/university/faculty/338324
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