【Nano Energy】自供電氣體傳感應用進展 https://mp.weixin.qq.com/s/krbXnGpFrA3OV7cgd7i0hw
一：研究背景為了滿足環境安全，人體健康和食品安全等各種場景下連續監測的需求，氣體傳感器的發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點組成傳感網絡。傳統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測和可穿戴傳感領域的應用。摩擦納米發電機(TENGs)可以將分布式機械能轉化為電能，與氣體傳感裝置相結合可以有效實現自供電氣體傳感，在突破電源限制和實現移動監測方面展現出巨大潛力。二：文章概述近日，王雙飛院士團隊就近年來TENGs在氣體傳感領域的研究應用進展進行了系統綜述。概述了氣體傳感的基本原理和發展趨勢。詳細介紹了TENG基氣體傳感器的作用機理和結構，并指出其在環境友好、室溫傳感和可穿戴設備上的優勢；重點總結了TENG基氣體傳感器在環境安全、人體健康和食品安全三個方向的應用，以及幾類典型氣體在這些領域的先進應用。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和應對策略，以期為推動自供電氣體傳感器件的發展提供參考。該項成果以題為“Advanced Application of Triboelectric Nanogenerators in Gas Sensing”發表在國際學術期刊《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. 摩擦納米發電機在氣體傳感器中的應用三：圖文導讀
1.氣體傳感器的基本原理和發展趨勢典型氣體傳感器樣式主要包括電阻型、電化學型、光學型和聲學型。其中，電阻式氣體傳感器是目前研究和商業化應用的主流。MOS基氣體傳感器的發展沿著低功耗的方向從微機電系統向自供電逐步推進。圖2. 氣體傳感器的種類、基本原理和發展趨勢2.TENG基氣體傳感器的兩類典型類別和性能優勢
（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氣體的氧化/還原特性和氣敏材料中占據數量優勢的載流子類型（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摩擦層和電極層。當目標氣體與氣敏材料接觸后，氣體分子在材料表面發生吸附/解吸會引起材料的摩擦層電性能（載流子濃度或介電常數）發生變化或電極層的電阻發生變化，進而影響TENG輸出特性，并指示氣體濃度的變化。當氣敏材料兼做摩擦電材料和電極材料時，一方面顯著增強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/恢復速度。
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勢
TENG基氣體傳感器不僅具備TENG的一般優勢，例如小尺度的環境能源高效轉化利用，小體積可集成化等，而且在氣體傳感性能上展現出環境友好，室溫傳感，便攜可穿戴等多重優勢。
圖5. TENG基氣體傳感器的性能優勢
3.TENG基氣體傳感器的應用
TENG基氣體傳感器在環境監測、醫療保健和公共安全領域具有廣泛的應用前景。下面，將對這三個應用方向的幾個代表性氣體的監測進行了詳細論述。
（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勢，在室溫下可監測的NH3濃度范圍寬。TENG基NH3傳感器在環境安全監測、人體呼出氣監測、食品安全等領域都有實際的應用價值。
圖6. NH3監測在環境安全、健康個護、食品冷鏈運輸中的應用
（2）CO2傳感器
在TENG基CO2傳感器中，分離式結構氣敏材料以傳統MOS為主；一體式結構氣敏材料需要兼具摩擦電性能，現有研究中PEI可以很好地滿足這種要求。TENG基CO2傳感器常用于大氣環境監測和人體呼吸監測。
圖7. CO2監測應用
（3）水蒸氣傳感器
TENG基水蒸氣傳感器開發的重點是濕敏材料性能的優化。現有濕敏材料趨向于從聚合物、半導體和鈣鈦礦等向環保型材料發展，摻雜2D材料可以進一步提升其濕敏響應特性。TENG基水蒸氣傳感器多用于監測人體呼出氣和果蔬新鮮度。
圖8. 濕度監測應用
（4）甲醛傳感器
TENG基甲醛傳感器可用于監測室內空氣質量和人體健康。有關TENG基甲醛傳感器的現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域的應用。
圖9. 甲醛監測應用
（5）乙醇傳感器
TENG基乙醇傳感器主要用于工業環境監測和呼氣分析。傳統乙醇傳感器的敏感材料多為MOS，然而乙醇在達到沸點溫度后會從材料表面蒸發，影響氣體的吸附，因此TENG基乙醇傳感器趨向于開發室溫傳感材料，結合新穎的結構設計，正在向手持或便攜式設備發展。
圖10. 乙醇監測應用
（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散系數，用其修飾MOS傳感器可以實現對H2的優異選擇，在氫泄漏的監測上發揮了重要作用。
圖11. H2監測應用
（7）NO2傳感器
TENG基NO2傳感器主要用于大氣環境監測。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），在室溫下具有優異的檢測靈敏度。另外， TENG基NO2傳感器結合光活化技術可以有效提高氣體敏感性，使傳感器表現出高度的環境適應性。圖12. NO2監測應用
四：結論
將TENG與氣體傳感裝置相結合在突破傳統氣體傳感器外置電源局限性方面展現出巨大的優勢和發展潛力。本文在簡要概述氣體傳感技術的基本原理和發展方向的基礎上，系統闡述了TENG基氣體傳感的結構組成、作用原理、性能優勢，重點討論了TENG基氣體傳感的應用方向和幾類典型氣體傳感的應用進展。隨著IoT和AI的飛速發展，未來的現場氣體檢測環境勢必要求小型化和便攜化，開發具有多功能、柔性可穿戴、綠色低碳等優勢集成一體的智能氣敏傳感器將成為一個重要發展方向。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109672