ACSNano：自供电式手风琴状MXene/MOF衍生的CuO纳米混合氨传感器

一、文章概述

自供电传感器在可穿戴设备和物联网领域至关重要。本文报道了一种基于乳胶和聚四氟乙烯的摩擦纳米发生器（TENG）驱动的手风琴状MXene/MOF的氧化铜（CuO）气体传感器，用于在室温下检测氨（NH₃）。（1）、制备的TENG产生的开路电压和短路电流的峰峰值分别可以达到810V和34μA。TENG可以支持的最大峰值功率密度为10.84W/m²，并且可以点亮至少480个LED。（2）、此外，展示了在单电极工作模式下的柔性TENG可刺激人体运动，在可穿戴设备中具有巨大潜力。由TENG驱动的自供电NH₃传感器在室温下具有出色的响应（V_g/V_a=24.8@100ppm），并且在监测猪肉质量方面具有很大的潜力。（3）、通过SEM、TEM、EDS、XRD和XPS对MXene和CuO进行了表征，以分析材料的性能。大大提高了基于MXene/CuO的自供电传感器的NH₃传感性能，并系统地探讨了增强传感性能的机理。

二、图文导读

图1.（a）由TENG驱动的自供电NH₃传感器的示意图。

（b）TENG的工作机制。

（c）不同间距下TENG中电位分布的COMSOL模拟结果。

图2.（a）由TENG点亮由串联的221个LED组成的字母“UPC”和“TENG”。

（b）不同电容器的电压变化曲线。

（c）TENG为低功率计步器供电。

（d）弹性TENG的示意图。

（e）基于单电极工作模式的柔性TENG的工作机制。

（f）在不同的弯曲角度下柔性TENG的电压输出。

柔性TENG在人体各个部位的运动检测应用：（g）脚、（h）肘和（i）胃。

图3.（a）暴露于各种NH₃气体浓度下的MXene/CuO传感器的动态电阻变化。

（b）MXene，CuO和MXene/CuO制备的三种类型传感器的响应。

（c）MXene和CuO的复合结构。

（d）CuO的NH₃响应机制。

（e）具有不同官能团的MXene结构的示意图。

（f）MXene可能的NH₃感应机制的示意图。

图4.由TENG驱动的（a）MXene、（b）CuO和（c）MXene/CuO薄膜传感器的输出电压，该传感器暴露在宽的NH₃浓度范围内（0-100ppm）。

（d）三个准备好的传感器的响应浓度拟合曲线。

（e）MXene/CuO复合传感器在空气中和在100ppm NH₃下交替重复三个循环。

（f）自供电MXene/CuO传感器的响应和恢复时间。

（g）自供电MXene/CuO传感器的选择性。

（h）自供电MXene/CuO传感器的长期稳定性。

（i）在室温下不同储存时间的20克猪肉释放的NH₃浓度的测量结果。

三、论文信息

Multifunctional Latex/Polytetrafluoroethylene-Based Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Organ-like MXene/Metal–Organic Framework-Derived CuO Nanohybrid Ammonia Sensor

ACS Nano (IF=14.588)

Pub Date : 2021-02-07

DOI: 10.1021/acsnano.0c09015

Dongyue Wang; Dongzhi Zhang; Yan Yang; Qian Mi; Jianhua Zhang; Liandong Yu

通讯单位：中国石油大学（华东）控制科学与工程学院，青岛266580