吉林大學張彤、周婷婷Nano Energy: 面向智慧農業應用的超靈敏、表面等離子體光驅動的MXene基多功能氨氣傳感系統

多功能、低功耗的氣體傳感系統對于智慧農業體系的構建起著至關重要的作用。目前所廣泛應用的半導體式氣體傳感器多工作在150-450°C的溫度范圍內。這種高溫工作條件在降低傳感器功耗、電子電路設計以及易燃易爆氣體檢測等方面存在諸多問題。因此，構筑兼具室溫傳感能力和優異敏感性能的氣體傳感器具有重要意義。

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近日，吉林大學張彤、周婷婷等人在Nano Energy上發表了題為“Light-driven, ultra-sensitive and multifunctional ammonia wireless sensing system by plasmonic-functionalized Nb₂CT_x?MXenes towards smart agriculture”的研究工作。該工作將等離子體Au納米棒嵌入Nb₂CT_x層間，設計了室溫下對氨氣具有高靈敏、低檢測限、快速響應時間的敏感材料。其中，Nb₂CT_x作為良好的導電層，其表面的原位氧化位點可以進行有效的氨氣吸附和電荷傳輸。在近紅外光輻照下，Au納米粒子產生20nm范圍內的等離子體局域熱點，實現了對局域反應位點的精準控溫，使傳感器擺脫了加熱電極的束縛。同時，Au納米棒的等離子共振效應促進了氣敏反應的進行，大幅度提高了傳感器的靈敏度，實現了室溫下對農業環境有害氣體-氨氣的有效檢測。進一步，將氨氣傳感器與濕度、溫度傳感器集成，構建了集濕度、溫度監測于一體的氨氣無線傳感系統。該系統通過藍牙模塊將環境信息傳輸至手機端，能夠實現在養殖場、蔬菜大棚等農業環境中溫度、濕度、氨氣濃度的全天候、實時監測，該工作為構建智慧農業體系中的多功能環境傳感系統提供了可行的思路。

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圖1、由Au/HT-Nb₂CT_x基氨氣傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器構成的傳感系統及智慧農業應用示意圖

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圖2、Au/HT-Nb₂CT_x敏感材料的表征結果

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圖3、DFT理論計算及Au/HT-Nb₂CT_x材料光電性能測試結果

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圖4、Au/HT-Nb₂CT_x基氨氣傳感器的氣敏性能測試結果

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圖5、Au/HT-Nb₂CT_x基傳感器的敏感機理分析

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圖6、基于Au/HT-Nb₂CT_x材料的氨氣、溫度、濕度傳感系統構建及面向智慧農業的應用

上述工作是該團隊近期關于可穿戴柔性傳感器的最新進展之一 。吉林大學 微納傳感材料與器件實驗室（SMDLAB）長期致力于面向工業生產安全、環境污染、人體健康以及家居環境等領域的氣體、濕度、壓力、溫度、生物分子等傳感檢測，開展微納米傳感材料的設計和制備、傳感器的結構設計以及應用開發。相關成果還發表在 Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Small、Small Methods、Biosensors & Bioelectronics、Journal of Hazardous Material、ACS Applied Materials & Interfaces、ACS Sensors、IEEE Electron Device Letters、Sensors and Actuators B:Chemical等期刊上。

原文詳情：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108216

本文由作者供稿