【期刊】中科院北京纳米能源所陈翔宇团队：基于毛刷状摩擦纳米发电机在室温下实现完全自驱动的气体传感器 | Research

中国科学院北京纳米能源与系统研究所陈翔宇团队提出了一种基于TENG和WO₃气体传感器结合的完全自驱动乙醇传感器，可以直观地监测并显示出乙醇在室温下的浓度变化。近期，该成果以“Self-powered room-temperature ethanol sensor based on brush-shape triboelectric nanogenerator”为题发表在Research（Volume 2021 |Article ID 8564780 | https://doi.org/10.34133/2021/8564780）。

研究背景

随着社会经济不断发展，越来越多的人开始关注健康生活。因此，人们对空气质量的关注与要求不断提高，在某些特定情况下为了保证人身安全，我们需要对某些易爆或毒性气体进行检测与监控。为满足这类需求，气体传感器应运而生。气体传感器是指可以将气体种类及其浓度信息转换成电信号的仪器，从而达到对目标气体进行检测、报警、监控的目的。

研究进展

传统的电化学气体传感器很难做到小型化。另外，在生产应用中还存在价格昂贵、不易携带、使用寿命较短等问题。自2012年摩擦纳米发电机（TENG）被发现以来，TENG已经成为最热门的将环境能量转换为电能的可再生绿色能源收集技术之一。具有低成本、质量轻、多种工作模式、丰富的材料来源，同时TENG具有可扩展性好、能量转换效率高、输出高等优点，能够有效弥补传统供电设备的不足。如何构建完全自驱动的气体传感器是一个值得探索的问题。

在这项研究中，根据TENG的相关特性，首先对气体传感材料的选择进行了探索。由于TENG的外部负载电阻与其输出电压呈现正相关的趋势，而p型半导体型的气体传感器可以随着目标气体的浓度提高而自身阻值增大，因此在众多金属氧化物中优先考虑p型半导体气敏材料。为了更好地协调两者的电阻区域，TENG的电压变化所对应的阻值、区域范围与气敏电阻材料的阻值变化区域应该在MΩ的范畴之内。此外，室温的工作条件也对气敏材料的工作温度提出了一定要求，这进一步缩小了气敏材料的选择范围。综上所述，经过一定的文献调研，选择WO₃作为气体传感器的材料（图1）。其中图1（a）为自驱动气体传感系统主要的3组成部分。图1（b） WO₃气体纳米棒示意图（i）和WO₃的SEM图像（ii）。图1（c）为四种具有代表性的TENG结构，分别为接触分离式（i）、滑动式式（ii）、独立层式（iii）和单电极模式（iv）。图1（d）为 p型金属氧化物半导体气敏材料暴露在还原性气体中的特性曲线和测量电路图（i），摩擦纳米发电机的匹配电阻-电压特性曲线和系统电路测试图（ii）。

图1  自驱动室温乙醇检测传感器原理示意图

另一方面，本研究提出了一种毛刷状的TENG，可以通过结构参数的修改调节匹配电阻，经过调节之后的TENG的电压-负载电阻曲线的“线性”区域可以很好地匹配WO₃气体传感器工作时的电阻变化。在此基础上，引入了液晶显示屏（LCD）作为信号输出。通过TENG的输出信号可以检测到乙醇在5~100 ppm范围内的浓度变化。将两个不同驱动电压的LCD与TENG集成，气体浓度变化引起的电阻变化将导致TENG的输出电压有所不同，从而可以选择性地控制不同工作电压的LCD，实现浓度变化的可视化。同时，该自驱动气体传感器在空气环境中工作两周后仍具有良好的气体响应，以及对乙醇气体良好的选择性（图2）。图2（a）为用于交通驾驶现场酒精检测的乙醇气体传感器示意图，图2（b）为乙醇气体传感器实物示意图。图2（c）为PCB板上气体传感器不同元件的位置分布图及信号处理电路原理图。图2（d）为室温空气条件下，WO₃传感器两端的压降和LCD的显示结果。图2（e）为气体传感器接触100 ppm乙醇气体时两端电压变化及LCD的显示结果。图2（f）为不同气体浓度下乙醇检测器的气体响应曲线，定义气体响应为Va /Vg比值。

图2  毛刷状TENG的应用示例

未来展望

由于其独特的工作机构和结构设计，该自驱动乙醇检测仪具有检测限低、室温工作条件和全自驱动系统等优异性能。这项工作不仅在气体传感器领域具有一定的参考意义，本研究中提出的自供电可视化概念进一步扩大TENGs作为自供电气体探测器的可能性，同时为气体传感领域提供一种更为简单节能的方法。

作者简介

陈翔宇，中国科学院北京纳米能源与系统研究所青年研究员，在王中林院士的研究团队中独立领导课题组。主要从事聚合物功能材料及纳米能源器件的相关研究，包括聚合物起电材料、复杂界面电荷转移机理、智能形变材料与器件、静电电源、可穿戴传感器件等方向，在Nat Common，Science Advances，EES，Adv Mater，Materials Today，AEM，AFM，ACS Nano，Nano Energy 等杂志发表第一作者和通讯作者的学术论文共50余篇，期刊影响因子大于10的文章30余篇。目前作为项目负责人主持国家自然科学基金的青年基金和面上基金，主持北京市面上基金和高创计划。作为骨干成员参与国家重点研发计划“纳米科技”重点专项。入选北京市特聘专家，北京市青年拔尖人才，北京市科技新星，中科院青年创新促进会。

文章来源“Research科学研究”公众号

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