随着现代工业及经济社会的发展,环境污染问题日益加剧,尤其是大气污染问题引起人们日益关注。其中氮氧化物作为大气污染的主要污染物对环境保护、人类的健康及动植物的生长有着严重的影响。因此,制备一种高度灵敏、可靠的气敏传感材料以监测其在大气中含量尤为重要。

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。通过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Ti₃C₂T_x。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。这项成果以题为“Gas-Sensitive Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Ammonia Sensing”发表在最新一期《Advanced Science》期刊上。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202203428

图1. 气敏纤维素摩擦电材料的设计与应用。a) 柚子皮内表面的层状结构。b) 气敏纤维素摩擦电材料截面分层结构。c) 气敏纤维素摩擦电材料用于自供电气体传感示意图。

图2. 气敏纤维素摩擦电材料的制备。a)分层结构气敏纤维素摩擦电材料制备流程。

图3. 气敏纤维素材料的表征。a) 三种薄膜的实物图及内部结构示意图。b) 薄膜内纤维素与Ti₃C₂T_x连接示意图。c) 三种薄膜的ATR表征。d) 三种薄膜的XRD表征。e) 三种薄膜的Raman表征。f) 三种薄膜的XPS表征。g) 不同Ti₃C₂T_x含量薄膜的力学性能对比。h) 三种薄膜的表面粗糙度对比。i) 三种薄膜的电导率对比。j) PFOTES-Ti₃C₂T_x-CNF薄膜的映射图。

图4.气敏纤维素材料的摩擦电性能。a) PFOTES-Ti₃C₂T_x-CNF TENG的结构示意图。b) PFOTES-Ti₃C₂T_x-CNF TENG工作原理示意图。c) 三种薄膜的输出电荷对比。d) 三种薄膜的输出电压对比。e) 三种薄膜的输出电流对比。f) 不同Ti₃C₂T_x含量薄膜的输出电压对比。g) 三种薄膜的负载输出电压对比。h) 三种薄膜的负载输出电流对比。i) 三种薄膜的负载输出功率对比。j) PFOTES-Ti₃C₂T_x-CNF TENG输出稳定性测试。

图5.纤维素摩擦电材料用于氨气传感。a)  分层结构对氨气吸附示意图. b) 氨气传感机理示意图。c) 有无氨气条件下的电流输出图。d) 有无氨气条件下的电压输出图。e)  暴露于不同浓度氨气下的电压输出图。f) 氨气对尼龙膜输出电性能的影响。g) 对100 ppm 氨气的实时持续响应/恢复过程。h)  TENG在不同氨气浓度下的响应拟合曲线。i) TENG在20、60和100 ppm 氨气条件下长期稳定性试验15小时。j) 暴露于100  ppm不同干扰气体时TENG的选择性。k) 暴露于不同浓度氨气下的无线传感电压信号。l) 食物变质时不同时间段的无线传感电压信号。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。