环境气体监测的研究历史已逾百年，与此同时，自供电气体传感器领域也在快速发展。自供电气体传感器主要是将环境能量转化为电能来实现自供电，目前已在人类健康监测、危险气体泄漏检测、预防酒驾、食品药品保存、农业生产以及工业设备状态监测等领域展现出巨大的应用潜力。尽管前景广阔，若想实现更广泛的商业化应用，自供电气体传感器仍需要突破许多关键技术。
据麦姆斯咨询报道，近期，华东理工大学和中国电子科技集团公司第十六研究所的研究人员在Next Materials期刊上发表了题为“Progress and perspectives of self-powered gas sensors”的综述文章，系统介绍了用于自供电气体传感器的能量采集器，自供电气体传感器的类型以及相关研究进展，并展望了该领域的未来发展机遇与挑战。
图1 自供电气体传感器研究趋势和关键词共现分析
自供电气体传感器具有诸多优点，包括能源独立、环保、节约成本、便携性和灵活性、实时监测和预警、数据准确性和可靠性、应急响应和危机管理能力。
在自供电气体传感系统中，能源模块和气体传感模块是核心组件。能源模块需要为传感器持续运行提供充足的能量，气体传感模块则需要具备对目标气体的高灵敏度，以满足各种环境监测的要求。
图2 自供电气体传感器核心组件的图片摘要
能量采集器
在自供电气体传感器中，最普遍使用的能量采集器包括摩擦电纳米发电机（TENG）、压电纳米发电机（PENG）、热电发电机（TEG）和太阳能电池。此外，生物燃料电池、基于光电特性的半导体异质结构、锂离子电池和各种混合型结构也常被用于自供电气体传感器。
图3 自供电气体传感器常用的四种能量采集器
自供电气体传感器
通过将能量采集器捕获的电能供给气体传感器，可确保气体传感器持续独立运行。这种方法不仅充分利用了环境能源，还可以对有毒气体和爆炸性气体等危险气体进行实时监测。当前，自供电气体传感器主要分为两种类型：一种是集成式传感系统，即驱动模块和传感模块共用，其特点是结构简单，便于微型化集成，但其使用条件较为严苛；另一种是分离式传感系统，即驱动模块与传感模块分离，通常配备储能模块以实现传感器的实时自驱动运行。
图4 自供电气体传感器的分类和性能参数
图5 基于不同能源驱动的自供电NO₂气体传感器
图6 基于不同能源驱动的自供电NH₄气体传感器
图7 集成式自供电湿度传感器
图8 基于TEG驱动的自供电H₂气体传感器
图9 基于TENG驱动的自供电乙醇气体传感器
图10 基于热电效应的自供电H₂S气体传感器
自供电气体传感器研究展望
目前，自供电气体传感器的研究主要集中在提高能源装置的能量密度，以及优化传感装置的灵敏度、响应速度和选择性。此外，探索多样化的能量来源也是关键。这些因素对于推动自供电气体传感器的商业化至关重要。尽管如此，要想在不同领域成功应用自供电气体传感器，仍有一些实际问题需要解决。目前面临的挑战主要包括能量采集效率、能源稳定性、传感器性能和精度、能量管理和优化以及环境适应性。
对自供电气体传感器的研究应专注于上述关键问题，解决这些问题将为自供电气体传感器的发展开辟新的道路。此外，还需要从可靠性、稳定性、成本效益和微型化等多方面入手，对自供电气体传感器进行优化。毫无疑问，自供电气体传感器已展现出其在可持续性、成本效益、便利性和环保等方面的优势。随着材料学、物理、化学、能源科学、自动化、信息技术等多学科的相互融合，未来将会涌现出更多新的跨学科研究领域。
论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2023.100092
延伸阅读：
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《基于摩擦电的能量收集和传感（TENG）-2020版》
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