中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
氣敏材料能夠對環(huán)境中特定氣體進(jìn)行動(dòng)態(tài)識別與含量監測，其在氣體傳感領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。由于其制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉而受到廣泛關(guān)注。得益于這些獨特優(yōu)勢，近年來(lái)氣敏材料得到了廣泛的應用。盡管這些材料能夠在一定濃度下對氣體進(jìn)行傳感，但吸附能力弱等一些緊迫問(wèn)題依然存在。
相比之下，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構，并且富含含氧極性官能團(例如羥基)。分層結構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。同時(shí)分子鏈上豐富的羥基為其提供了可觀(guān)的可修飾性，有利于特異性氣敏材料的引入。因此，開(kāi)發(fā)一種吸附能力強的氣敏纖維素材料備受期待。
廣西大學(xué)聶雙喜教授團隊采用“間歇式抽濾”的策略，構建了一種具有分層結構的高吸附性的氣敏纖維素摩擦電材料，并將其應用于自供電氣體傳感(圖1)。先將水浴過(guò)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(zhù)再引入Ti3C2Tx。然后進(jìn)行間歇式抽濾，將濾液分五次進(jìn)行抽濾以確保分層結構的保留。隨著(zhù)抽濾次數的增加，分層排列的片間距逐漸變小，最終形成分層結構。
圖1 纖維素摩擦電材料用于自供電氣體傳感。a) 柚子皮內表面的層狀結構； b) 氣敏纖維素摩擦電材料截面分層結構；c) 氣敏纖維素摩擦電材料用于自供電氣體傳感示意圖。 更重要的是，通過(guò)研究發(fā)現，得到的氣敏纖維素摩擦電材料對100 ppm的氨氣具有快的響應/恢復(12 s/14 s) 、高靈敏度響應(Vair/Vgas=2.1)、高選擇性響應(37.6 %)以及低檢測極限(10 ppm)。此外，該材料還能在10 -120 ppm范圍內準確識別氨氣濃度變化，并將信號無(wú)線(xiàn)傳輸至用戶(hù)界面,為實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測環(huán)境中的氨氣提供便利(圖2)。 圖2 纖維素摩擦電材料用于氨氣傳感。a) 分層結構對氨氣吸附示意圖. b) 氨氣傳感機理示意圖；c) 有無(wú)氨氣條件下的電流輸出圖； ) 有無(wú)氨氣條件下的電壓輸出圖；e) 暴露于不同氨氣濃度下的電壓輸出圖； f) 氨氣對尼龍膜輸出電性能的影響；g) 對100 ppm 氨氣的實(shí)時(shí)持續響應/恢復過(guò)程； h) TENG在不同氨氣濃度下的響應擬合曲線(xiàn)； i) TENG在20、60和100 ppm 氨氣濃度下長(cháng)期穩定性試驗15小時(shí)； j) 暴露于100 ppm不同干擾氣體時(shí)TENG的選擇性； k) 暴露于不同濃度氨氣下的無(wú)線(xiàn)傳感電壓信號； l) 食物變質(zhì)時(shí)不同時(shí)間段的無(wú)線(xiàn)傳感電壓信號。 研究者相信，此項研究將會(huì )為在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測環(huán)境中的氨氣提供便利，也為高性能氣敏材料的開(kāi)發(fā)和應用奠定了堅實(shí)的基礎，并對可擴展的氣體傳感領(lǐng)域顯示出巨大的潛力和應用前景。相關(guān)論文在線(xiàn)發(fā)表在Advanced Science上。
