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氨氣(NH3)是一種重要的工業(yè)化學(xué)品，廣泛應(yīng)用于化肥、塑料和合成纖維的工業(yè)生產(chǎn)。然而，NH3也是一種有害氣體和環(huán)境污染物。其引起的環(huán)境污染和健康問題受到了廣泛關(guān)注。它不僅威脅水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且會(huì)促進(jìn)大氣中懸浮顆粒的形成。即使是低濃度的NH3也會(huì)損害人體健康，引起嘔吐、頭痛和肺水腫等一系列疾病。美國職業(yè)安全與健康管理局(U.S. Occupational Safety and Health Administration)將室內(nèi)環(huán)境中長期接觸NH3的允許極限為25ppm。同時(shí)，人體的代謝活動(dòng)可以產(chǎn)生NH3氣體。通過檢測人體呼出氣體中NH3的含量，也可以有效診斷腎臟疾病等疾病。因此，開發(fā)一種高靈敏、穩(wěn)定的NH3傳感器對(duì)環(huán)境保護(hù)和人體健康具有重要意義。直接測量電阻需要外接電源，這大大增加了能量損失和維護(hù)成本。因此，迫切需要一種低成本的自供電技術(shù)來為氣體傳感器提供能量。

近期，中國石油大學(xué)（華東）的于連棟教授和張冬至教授在國際知名學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上發(fā)表一篇題目為：Multifunctional Latex/Polytetrafluoroethylene-Based Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Organ-like MXene/Metal?Organic Framework-Derived CuO Nanohybrid Ammonia Sensor的研究論文，報(bào)道了一種由手風(fēng)琴狀的Ti3C2TxMXene和金屬有機(jī)骨架衍生CuO制備的自供能NH3傳感器，該傳感器通過基于聚四氟乙烯(PTFE)和橡膠的contact-separation式摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）驅(qū)動(dòng)。制備的TENG的開路電壓可達(dá)810 V，短路電流可達(dá)34 μA。TENG可以支持10.84 W·m-2的最大峰值功率密度，并且至少能點(diǎn)亮480個(gè)LED。在PET柔性襯底上設(shè)計(jì)了一種基于單電極工作模式的柔性TENG，用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測。利用摩擦電納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自供電氨氣傳感器，在室溫下具有良好的響應(yīng)(約24.8)。Ti3C2TxMXene/CuO傳感器對(duì)氨氣優(yōu)異的氣敏性能可以通過氣體吸附模型和雙組分的協(xié)同效應(yīng)來解釋。

圖1.TENG驅(qū)動(dòng)自供電氨氣傳感器示意圖以及TENG工作機(jī)理。

圖2.?TENG性能圖。

圖3.TENG柔性性能表征以及人體運(yùn)動(dòng)檢測。

圖4.MXene /CuO復(fù)合材料的物理表征。

圖5.相關(guān)材料的對(duì)氨氣的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及傳感器傳感原理。

圖6.傳感器的靈敏度、響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間、氣體選擇性、穩(wěn)定性以及實(shí)際應(yīng)用。

? ?? 綜上所述，本文制備了一種由基于PTFE和橡膠的TENG驅(qū)動(dòng)的MXene/CuONH3傳感器。TENG的開路電壓可達(dá)810V，短路電流可達(dá)34 μA。TENG可以支持10.84 W·m-2的最大峰值功率密度，并且至少能點(diǎn)亮480個(gè)LED。此外，還演示了基于單電極工作模式的柔性TENG裝置作為一種可穿戴的身體運(yùn)動(dòng)檢測裝置。TENG驅(qū)動(dòng)的自供電NH3傳感器在室溫下響應(yīng)良好(24.8)，可用于檢測豬肉的變質(zhì)，并通過一系列表征方法分析了Ti3C2Tx、MXene和CuO的性能。最后，通過對(duì)氣體吸附和解吸過程的討論，系統(tǒng)地分析了MXene/CuO復(fù)合材料對(duì)NH3的增強(qiáng)傳感機(jī)理。

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