摘要：该研究构建了一种具有分层结构的气敏纤维素摩擦电材料，并将其用于自供电气体传感。研究发现，该材料对氨气具有快响应/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，为实时在线监测环境中的氨气提供便利。
关键词：纤维素纳米纤维, 气敏摩擦电材料, 自供电传感, 摩擦纳米发电机,无线传感
气敏材料能够对环境中特定气体进行动态识别与含量监测，其在气体传感领域具有广阔的应用前景。由于其制作工艺简单、成本低廉而受到广泛关注。得益于这些独特优势，近年来气敏材料得到了广泛的应用。尽管这些材料能够在一定浓度下对气体进行传感，但吸附能力弱等一些紧迫问题依然存在。
相比之下，纤维素纳米纤维可从各种生物质资源(例如木材)获得，具有整齐的一维分层结构，并且富含含氧极性官能团(例如羟基)。分层结构赋予了材料较高的比表面积，这有利于气体分子与纤维素链之间的静电吸附作用以及表面催化反应。同时分子链上丰富的羟基为其提供了可观的可修饰性，有利于特异性气敏材料的引入。因此，开发一种吸附能力强的气敏纤维素材料备受期待。
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(图1)。先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Ti3C2Tx。然后进行间歇式抽滤，将滤液分五次进行抽滤以确保分层结构的保留。随着抽滤次数的增加，分层排列的片间距逐渐变小，最终形成分层结构。
图1 纤维素摩擦电材料用于自供电气体传感。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。
更重要的是，通过研究发现，得到的气敏纤维素摩擦电材料对100 ppm的氨气具有快的响应/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(图2)。
图2 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) 暴露于不同氨气浓度下的电压输出图；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 氨气浓度下长期稳定性试验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。
研究者相信，此项研究将会为在线实时监测环境中的氨气提供便利，也为高性能气敏材料的开发和应用奠定了坚实的基础，并对可扩展的气体传感领域显示出巨大的潜力和应用前景。相关论文在线发表在Advanced Science上。
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