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聶雙喜教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Sci.》：纖維素摩擦電材料在氣體傳感領(lǐng)域新應(yīng)用
2022-09-03  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，氣體泄露造成的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，用于及時(shí)監(jiān)測(cè)和特異性識(shí)別泄露氣體的氣敏材料的需求不斷增加。因此，設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)良的氣敏材料非常重要。然而，常見的氣敏材料選擇性低、應(yīng)用場(chǎng)景有限、響應(yīng)性差等因素限制了其在家庭和工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，氣敏材料的對(duì)待測(cè)氣體吸附性能的強(qiáng)弱，也直接影響了該材料監(jiān)測(cè)的最低極限。因此，開發(fā)一種吸附能力強(qiáng)、選擇性高、響應(yīng)性好的氣敏材料備受期待。

 


  近日，廣西大學(xué)聶雙喜教授團(tuán)隊(duì)采用“間歇式抽濾”的策略，構(gòu)建了一種具有分層結(jié)構(gòu)的高吸附性的氣敏纖維素摩擦電材料，并將其應(yīng)用于自供電氣體傳感。研究發(fā)現(xiàn)，得到的纖維素摩擦電材料對(duì)100 ppm的氨氣具有快的響應(yīng)/恢復(fù)(12 s/14 s) 、高靈敏度響應(yīng)(Vair/Vgass=2.1)、高選擇性響應(yīng)(37.6 %)以及低檢測(cè)極限(10 ppm)。此外，該材料還能在10 -120 ppm范圍內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別氨氣濃度變化，并將信號(hào)無(wú)線傳輸至用戶界面,為實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)環(huán)境中的氨氣提供便利。該研究為高性能氣敏復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備提供了一種嶄新的戰(zhàn)略，也對(duì)自供電氣體傳感的研究具有指導(dǎo)意義。這項(xiàng)成果以題為“Gas-Sensitive Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Ammonia Sensing”發(fā)表在《Advanced Science》上，廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院碩士生張旺林為論文第一作者，聶雙喜教授為通訊作者。

 

圖1. 自供電氣敏纖維素摩擦電材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用


  纖維素納米纖維可從各種生物質(zhì)資源(例如木材)獲得，具有整齊的一維分層結(jié)構(gòu)，并且富含含氧極性官能團(tuán)(例如羥基)。分層結(jié)構(gòu)賦予了材料較高的比表面積，這有利于氣體分子與纖維素鏈之間的靜電吸附作用以及表面催化反應(yīng)。同時(shí)分子鏈上豐富的羥基為其提供了可觀的可修飾性，有利于特異性氣敏材料的引入。本工作先將水浴過程中水解的活性硅醇單體或低聚物物理吸附到纖維素的羥基上，接著再引入Ti3C2Tx。然后進(jìn)行間歇式抽濾，逐漸形成分層結(jié)構(gòu)。并采用各種表征手段等對(duì)該材料的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行探究。


圖2. 氣敏纖維素摩擦電材料的表征


  為了評(píng)估氣敏纖維素摩擦電材料氣體傳感的潛力，將其作為TENG的負(fù)極摩擦材料在不同濃度的氨氣中進(jìn)行了測(cè)試。材料表面和分層結(jié)構(gòu)中的微/納尺度界面增強(qiáng)納米片單元及其之間的相互連接為氨氣提供了豐富的活性位點(diǎn)，有利于目標(biāo)氣體的吸附和解吸。研究發(fā)現(xiàn)，得到的纖維素摩擦電材料對(duì)100 ppm的氨氣具有快的響應(yīng)/恢復(fù)(12 s/14 s) 、高靈敏度響應(yīng)(Vair/Vgas=2.1)、高選擇性響應(yīng)(37.6 %)以及低檢測(cè)極限(10 ppm)。基于這種可靠的監(jiān)測(cè)方式，并為了更加符合萬(wàn)物互聯(lián)的理念和更加便捷的接收生物信號(hào)的信息，設(shè)計(jì)了接入手機(jī)端的無(wú)線實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)。

 

圖3.纖維素摩擦電材料用于氨氣傳感。


  總結(jié)：綜上所述，本工作制備了一種分層結(jié)構(gòu)的氣敏纖維素摩擦電材料，并用于高靈敏度自供電氨氣傳感器。該自供電氨氣傳感器對(duì)100 ppm的氨氣具有快的響應(yīng)/恢復(fù)(12 s/14 s) 、高靈敏度響應(yīng)(Vair/Vgas=2.1)、高選擇性響應(yīng)(37.6%)以及低檢測(cè)極限(10 ppm)。此外，該氨氣傳感器還能在10-120 ppm范圍內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別氨氣濃度變化，并將信號(hào)無(wú)線傳輸至用戶界面，為在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的氨氣提供便利。這為高性能氣敏材料的開發(fā)和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并對(duì)可擴(kuò)展的氣體傳感領(lǐng)域顯示出巨大的潛力和應(yīng)用前景。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202203428

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