氨气（NH₃）作为一种典型有毒污染物，广泛存在于化工生产、农业活动及机动车排放过程中。该气体对人体健康构成多重威胁，尤其对眼部组织及呼吸道黏膜具有显著损伤效应，严重暴露情况下甚至存在致命风险。
值得注意的是，医学研究发现人体呼吸产生的NH₃浓度与肝脏功能异常及终末期肾病的病理进程具有显著相关性，这使NH₃成为重要的疾病诊断生物标志物。
基于此，开发集成实时监测与预警功能的柔性便携式NH₃传感器在工业暴露风险防控和疾病无创诊断等可穿戴医疗领域具有重要应用价值。尽管当前NH₃传感技术已取得显著进展，但现有的NH₃传感器普遍依赖体积庞大的外部供能装置，这限制了NH₃传感器的可穿戴应用。
在此背景下，构建自驱动NH₃传感体系对实现可穿戴设备在NH₃预警和呼吸健康监测等场景的集成化发展具有迫切需求。
据麦姆斯咨询介绍，北京化工大学苏志强教授课题组和北京服装学院吴汉光课题组报道了同时具有良好的传感性能和生态友好性的基于绿色能源的可穿戴NH₃传感装置，相关成果以“Respiration-Driven Ammonia Sensing Mask for Multifunctional Self-Powered Monitoring Application”为题发表在国际化学权威杂志Chemical Engineering Journal上。
本研究通过协同集成摩擦电纳米发电机（TENG）纺织品供能单元与NH₃传感组件，创新构建了具备"集能-储能-消耗"闭环电路的全自主供能智能口罩系统。该装置兼具呼吸驱动型NH₃检测与呼吸状态监测双模功能：TENG功能纺织品内嵌于口罩基底结构中，NH₃传感单元则根据检测目标的差异性集成——口罩内侧监测呼出气体中NH₃浓度，口罩外侧则用于外源性NH₃检测。
为实现能量流的动态管理利用电源管理模块对TENG产生的脉冲电能进行整流稳压，并通过微型储能装置构建持续供电体系。技术突破点在于研发了阈值触发式导通机制，报警电路在NH₃浓度未达临界值时维持休眠电流，一旦检测值突破预设阈值即刻激活光报警实现NH₃浓度超标可视化。TENG纺织品展现的可持续供能特性有效保障了系统在动态呼吸条件下的连续工作需求。
图1 自供电NH₃传感口罩的组件和功能示意图
图2 TENG纺织品模块的工作机理和摩擦电输出性能
图3 自供电传感口罩的应用
综上所述，本研究创新开发了一种基于TENG纺织品与Ti₃C₂Tx/PANI传感织物的呼吸驱动型智能传感口罩。该口罩通过协同构建柔性TENG纺织品与Ti₃C₂Tx/PANI基气敏模块，成功实现了呼吸模式监测与环境/生理NH₃双模检测的集成。一方面，利用TENG纺织品通过呼吸动能-电能转换实现持续微能源供给，结合智能电源管理模块形成闭环供能体系。另一方面，得益Ti₃C₂Tx/PANI的协同效应，赋予了Ti₃C₂Tx/PANI传感织物卓越的传感特性（在100 ppm NH₃环境中具有550%的传感响应，检测限低至痕量级50 ppb，并具备优异的长期运行稳定性）。最终使智能传感口罩在医疗诊断、食品安全（冷链物流腐败监测）及工业安全（NH₃预警）等多元场景中展现出巨大的应用价值。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160598
