河南大學Nano Energy:?基于摩擦納米發電機氣體放電的自驅動CO2氣敏傳感器

【引言】

二氧化碳不僅是全球變暖的主要原因，而且其對人體健康所造成的影響也受到人們越來越多的重視。CO₂濃度超過1,000 ppm時會影響人類的生活健康。因此，檢測CO₂濃度對環境檢測和人體健康具有非常重要的意義。目前，CO₂氣敏傳感器普遍存在材料制備復雜、需外加電源及工作溫度高等問題，限制了其在物聯網中的應用。近年來，摩擦納米發電機(TENG)作為一項新能源技術，能夠從環境和人體中收集機械能并將之轉化為電能，同時可應用于各種自驅動的傳感器。TENG具有高電壓、低電流和高阻抗的特性，其高電壓容易引起氣體放電，限制了表面摩擦電荷密度的提高。合理的利用TENG高壓引起的氣體放電可以拓展TENG的應用范圍。由于常溫常壓下，每種氣體都有其獨特的放電特性，因此，可以開發出在室溫下工作，具有高檢測靈敏度并且不需要外部電源的新型自驅動氣敏傳感器。

【成果簡介】

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授在Nano Energy上發表了題為“The self-powered CO₂?gas sensor based on gas discharge induced by?triboelectric nanogenerator”的文章。利用摩擦納米發電機引起的氣體放電對CO₂的高敏感性，發展了一種新型自驅動CO₂氣敏傳感器。當CO₂加入到N₂中時，放電過程中產生的 CO₂^-??會阻礙等離子體的形成，這會增加氣體放電的閾值電壓并改變放電特性。基于這些現象，提出了不同類型的CO₂氣體傳感模式。第一種模式是閾值濃度檢測模式，當CO₂濃度達到閾值時，通過使用放電停止現象實現CO₂的高靈敏度檢測。基于放電頻率和放電電流對CO₂濃度的依賴性，提出了臺階檢測模式和連續檢測模式，可用于檢測CO₂濃度低于閾值濃度的氣體濃度。以此為基礎，本篇工作開發了一種基于摩擦納米發電機引起的氣體放電的自驅動CO₂氣敏傳感器。通過三種檢測模式實現了對CO₂室溫下、高靈敏且不需要外部電源的檢測。河南大學碩士研究生趙珂和青年教師顧廣欽博士是本文的共同第一作者，河南大學程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。

【圖文導讀】

圖1. 基于TENG-GD的自驅動CO₂傳感器的示意圖

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(a) 自驅動CO₂傳感器的結構圖；

(b) 自驅動CO₂傳感器的電路圖；

(c) RIE蝕刻PTFE膜表面的AFM圖像；

(d) RIE蝕刻的PTFE膜表面的SEM圖像。

圖2. 不同d下，TENG-GD在CO₂負電壓氣體放電下的輸出電流曲線

(a) d=0 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(b) d=0.01 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(c) d=0.03 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(d) d=0.06 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(e) d=0.06 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線的放大圖；

(f) d=0.08 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(g) d=0.09 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(h) d=0.11 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(i) d=0.12 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

圖3.?在負電壓氣體放電下，TENG-GD在N₂和CO₂氣體中的放電特性及在N₂、空氣、O₂和CO₂中的最大放電距離

(a) N₂中放電電流隨d的變化曲線；

(b)?CO₂中放電電流隨d的變化曲線；

(c) 不同d時，CO₂和N₂的放電電流峰值曲線；

(d) 不同d時，CO₂和N₂的放電頻率曲線；

(e) 在三種放電模式：AC，正負電壓氣體放電下，在不同氣氛中的d_max。

圖4. 自驅動CO₂氣敏傳感器的檢測原理示意圖和濃度響應曲線

(a) TENG-GD在N₂中的放電原理示意圖；

(b) 通入一定量CO₂后，TENG-GD在N₂中的放電原理示意圖；?

(c) 當d為0.15 mm時，放電電流隨CO₂氣體濃度變化的曲線；

(d)?當d為0.45 mm時，放電電流隨CO₂氣體濃度變化的曲線。

圖5.?氣體濃度對放電電流的影響曲線

(a)?在負電壓氣體放電下，不同CO₂濃度下不同d的放電電流峰值曲線；

(b) 不同d的C_th曲線；

(c)?不同d下檢測的CO₂的C_th的放電電流曲線。

圖6. 放電頻率隨CO₂濃度的變化曲線及不同模式的檢測靈敏度

(a) 不同d下，放電頻率對CO₂濃度的依賴性。

(b) 不同CO₂濃度下，放電電流峰值和頻率響應的靈敏度。

【小結】

本文中，利用摩擦納米發電機引起的氣體放電對CO₂的高敏感性，發展了一種新型自驅動CO₂氣敏傳感器。研究發現，將CO₂加入N₂中，會在放電過程中產生CO₂^-??_，阻礙等離子體的形成，增加氣體放電的閾值電壓并改變放電特性。基于這些現象，提出了不同類型的CO₂氣體傳感模式：閾值濃度檢測模式，臺階檢測模式和連續檢測模式。通過三種檢測模式協同作用，實現了對CO₂濃度從1000~200,000 ppm的檢測。這里提出的新型自驅動CO₂氣體傳感器在室溫下工作，具有高檢測靈敏度并且不需要外部電源，在發展面向物聯網的自驅動氣敏傳感網絡中具有潛在的應用。

文獻鏈接： The self-powered CO₂?gas sensor based on gas discharge induced by triboelectric nanogenerator. (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.09.057.)

網址鏈接:?https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518307018?

【作者簡介】

趙珂，女，1992年生，碩士研究生，現就讀于河南大學特種功能材料重點實驗室。研究方向是基于摩擦納米發電機誘導的氣體放電的自驅動氣敏傳感器。

顧廣欽，男，1992年生，青年教師，于2018年在北京納米能源與系統研究所獲得博士學位，導師王中林院士。現在是河南大學特種功能材料重點實驗室講師。在ACS?Nano、Advanced Energy Materials、Advanced?Functional?Materials、ACS?Applied?Materials?&?Interfaces、Nano Research等期刊發表SCI論文10余篇。主要研究方向是摩擦納米發電機和自驅動傳感器。

程綱，男，1978年生，博士，教授，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，河南省高校創新團隊帶頭人，河南省科技創新杰出青年，河南省學術技術帶頭人。2003年起，在河南大學特種功能材料教育部重點實驗室工作，2013-2016年在佐治亞理工學院做訪問學者，從事納米結構與光電器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊發表SCI論文40余篇。主持國家自然科學基金3項，獲得河南省科技進步二等獎2項。主要研究方向有：納米結構與光電器件，納米發電機，自驅動傳感器等。

Email: chenggang129@126.com; chenggang@henu.edu.cn

杜祖亮，男，1966年7月生，博士，教授，博士生導師，中原學者。特種功能材料教育部重點實驗室常務副主任。教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊牽頭人，中國有序分子膜專業委員會副主任，教育部新世紀優秀人才，享受政府特殊津貼專家，河南省優秀專家，河南省特聘教授，河南省跨世紀學術和技術帶頭人。主持完成國家重大基礎研究973前期專項、國家自然科學基金重大納米研究計劃、國家自然科學基金面上項目、教育部高校科技創新工程重大項目等國家級科研項目10余項；河南省創新人才項目、河南省杰出青年基金項目等省部級項目10余項。獲河南省科學技術進步二等獎（自然科學類）2項；發表SCI學術論文200余篇；書（章節）2部；鑒定成果7項，發明專利24件（已授權14件）。主要從事高效能光電納米結構材料與器件研究，在納米結構材料的制備、組裝、器件構筑及其光電性能等方面，形成了較系統的研究工作。結合分子組裝（化學法）和納米壓印技術（物理法），建立了獨具特色的納米結構材料構筑技術，實現了納米結構的大面積低成本制備；搭建了三類特色研究平臺，實現了微納區的光電測量。在國際上率先建立了雙模板仿生礦化材料合成新方法；建立了低維半導體納米結構受控表面態的表面勢壘物理模型，研制了基于表面肖特基勢壘的光電納米器件；發現并闡明了微米/納米有序結構的光電增強現象，為發展高效能薄膜太陽能電池和量子點發光二極管(QLED)開辟了新途徑。

Email: zld@henu.edu.cn, zldu66@163.com

Lab Web: http://lab.henu.edu.cn

本文由河南大學供稿，材料人編輯部整理。

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