蘇州大學孫旭輝教授團隊Adv. Funct. Mater.：基于摩擦起電和化致阻變共效應的自驅動汽車尾氣檢測系統

【引言】

隨著物聯網技術的快速發展，對獨立、小型化、可持續、無線、多功能的傳感網絡的需求也在日益增長，同時考慮到物聯網傳感器數量的不斷增大，為傳感器供電成為限制其發展的瓶頸，如果傳感器件能實現自供電，可以從根本上解決上述問題。近年來，基于摩擦納米發電機的自供電傳感系統可利用收集外部環境機械振動產生電能從而實現自驅動，不依賴于電池或者其他外部供電設備，引起了廣泛的研究興趣。由于該自驅動系統依靠外部機械力驅動，因此非常適用于相關物理量（如速度、位移、加速度等）的監測，但在化學量（如濕度、溫度、氣體等）的測試中有較大的局限性。現有的自驅動傳感系統主要是將摩擦材料同時作為傳感材料，利用外界環境對材料表面摩擦起電能力影響，從而起到傳感作用，但該系統對材料的要求和限制比較高，同時由于外力引入的機械干擾對傳感信號造成干擾，穩定性較差。因此，將摩擦納米發電機與傳感器分成兩個互不干擾的部分，構建一種新型的自驅動傳感系統，可以大大提高該系統的穩定性和可行性，如何利用兩類完全不同器件的特點進行耦合構建該自驅動系統，成為研究難點。

【成果介紹】

近日，蘇州大學功能納米與軟物質研究院（FUNSOM）的孫旭輝教授團隊在自驅動傳感研究領域取得重要進展，在材料能源領域頂級期刊Advanced Functional Materials上發表了題為“Self-Powered Vehicle Emission Testing System Based on Coupling of Triboelectric and Chemoresistive Effects”的文章，報道了一種基于摩擦起電和化致阻變共效應的新型自驅動化學傳感系統，并把它應用于汽車尾氣的檢測。研究者使用一種接觸-分離式摩擦納米發電機置于汽車發動機頂部，將一種基于n型WO₃半導體氧化物納米材料的電阻式氮氧化物氣體傳感器置于排氣筒處，并聯發光二極管（LED）作為顯示報警燈，收集汽車發動機的機械振動產生電能為傳感器供電，通過LED的亮/滅狀態判斷汽車尾氣含量是否超標。其工作原理可以用摩擦納米發電機和氣體傳感器的阻抗匹配變化過程解釋：當排放尾氣氮氧化物含量達標時，該氣體傳感器的電阻較小，其兩端負載電壓較小，不能達到LED的閾值電壓，LED不能發光報警；當排放尾氣氮氧化物含量超標時，氣體傳感器電阻大幅增大，一旦超過LED的閾值電壓，隨即閃爍發光報警。電路的負載電壓隨著氣體傳感器的工作狀態的變化而變化，巧妙了利用了摩擦起電和化致阻變的耦合效應，其相互獨立的工作體系大大提高了在實際應用中的穩定性和可靠性，同時不需要外部電源驅動，實現了完全的自驅動。該類自驅動傳感器可以應用于所有的電阻式傳感器，有較廣的應用前景。該項工作的第一作者為碩士生沈青青，文震博士和孫旭輝教授為共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖1：基于摩擦納米發電機的自驅動尾氣檢測系統示意圖

圖2：摩擦納米發電機的工作原理、電學性能輸出以及系統原理介紹

(a). 垂直接觸分離式摩擦納米發電機的工作原理圖。

(b). 汽車發動機不同振動頻率15-30 Hz下摩擦納米發電機的電壓電流輸出。

(c). 摩擦納米發電機連接外阻后的等效電路圖。

(d). 汽車發動機不同振動頻率15-30 Hz下連接不同外阻時的電壓輸出。三個工作區分別標記為區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

圖3：氣體傳感器的性能表征

(a). WO₃氣體傳感器的SEM和TEM表征圖以及氣體傳感器件架構。

(b). WO₃納米棒的XRD表征圖。

(c). WO₃納米棒材料檢測5-100 ppm NO₂氣體的電阻變化圖。

(d). 室溫下WO₃納米棒材料對于20 ppm的NO₂，HCHO, SO₂，CO以及CO₂的選擇性。

(e). WO₃納米棒材料檢測NO₂氣體的化學反應機理。

圖4：自驅動NO₂氣體傳感系統的性能表征圖

(a). 汽車發動機頻率為20 Hz下，當外接電阻從68 KΩ到10 MΩ變化時電壓和電流變化圖。

(b). 汽車發動機頻率為20 Hz下，通入0-100 ppm時電壓變化圖。

(c). 通入100 ppm NO₂氣體時，輸出電壓實時變化圖。

(d). 通入100 ppm NO₂氣體時穩定性測試。

(e). 通入100 ppm NO₂氣體時，溫度在20 ^oC到100^oC變化時輸出電壓與響應度變化圖。

(f). 通入100 ppm NO₂氣體時，濕度在20%到90%變化時輸出電壓與響應度變化圖。

圖5：自驅動汽車尾氣探測系統的演示圖

(a). 通入100 ppm NO₂氣體前小燈泡處于不亮的狀態。

(b). 通入100 ppm NO₂氣體后小燈泡處于亮的狀態。

(c). 自驅動汽車尾氣探測系統用于多通道檢測多種氣體的模擬電路圖。

(d). 自驅動汽車尾氣探測系統放置于真正汽車上的演示圖。

【小結】

本文提出了一種新型的基于摩擦納米發電機的自驅動化學傳感系統并用于自驅動檢測汽車尾氣。垂直接觸分離式的摩擦納米發電機固定在汽車發動機上用于收集汽車振動能，電阻式的NO₂氣體傳感器與摩擦納米發電機串聯直接檢測汽車尾氣，并聯在摩擦納米發電機兩端的小燈泡作為指示燈檢測尾氣超標情況。氣體傳感器的電阻變化直接導致摩擦納米發電機兩端的電壓輸出變化，從而直觀地反映在小燈泡上。這種新型的自驅動探測系統不受外界環境變化的影響，大大地提高了穩定性和可靠性。該系統也可多通道檢測多種傳感信號，展示了其在環境檢測上的一系列應用前景。

文獻鏈接：

Self-Powered Vehicle Emission Testing System Based on Coupling of Triboelectric and Chemoresistive Effects (Adv. Funct. Mater., 2017, doi: 10.1002/adfm.201703420).

【課題組簡介】

孫旭輝，蘇州大學功能納米與軟物質研究院副院長，特聘教授，博士生導師。已發表SCI發表論文160余篇，申請中國和美國專利50余項，是中國物理學會同步輻射專業委員會常委，國際材料學會、國際電子電工學會、國際X射線吸收學會會員，和國際電子電工學會SFBA納米技術委員會顧問，以及國家同步輻射實驗室用戶委員會委員、上海光源用戶委員會委員、首批光束線站（XAFS和STXM線站）用戶專家工作組專家成員。2010年入選“蘇州市緊缺人才計劃”，2011年入選江蘇省“333”人才工程計劃，2012年入選蘇州工業園區科技領軍人才。研究團隊目前主要致力于納米材料和納米功能器件及其在電子信息、新能源和化學傳感器方面的研究，以及同步輻射技術及其在納米材料研究中的應用。

本文由蘇州大學孫旭輝教授課題組提供。

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