ACS Nano：用于自供电式手风琴状MXene/金属有机骨架衍生CuO纳米混合氨气传感器

氨气(NH₃)是一种重要的工业化学品，广泛应用于化肥、塑料和合成纤维的工业生产。然而，NH₃也是一种有害气体和环境污染物。其引起的环境污染和健康问题受到了广泛关注。它不仅威胁水生态系统的稳定，而且会促进大气中悬浮颗粒的形成。即使是低浓度的NH₃也会损害人体健康，引起呕吐、头痛和肺水肿等一系列疾病。美国职业安全与健康管理局(U.S. Occupational Safety and Health Administration)将室内环境中长期接触NH₃的允许极限为25ppm。同时，人体的代谢活动可以产生NH₃气体。通过检测人体呼出气体中NH₃的含量，也可以有效诊断肾脏疾病等疾病。因此，开发一种高灵敏、稳定的NH₃传感器对环境保护和人体健康具有重要意义。直接测量电阻需要外接电源，这大大增加了能量损失和维护成本。因此，迫切需要一种低成本的自供电技术来为气体传感器提供能量。

近期，中国石油大学（华东）的于连栋教授和张冬至教授在国际知名学术期刊ACS Nano上发表一篇题目为：Multifunctional Latex/Polytetrafluoroethylene-Based Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Organ-like MXene/Metal−Organic Framework-Derived CuO Nanohybrid Ammonia Sensor的研究论文，报道了一种由手风琴状的Ti₃C₂T_xMXene和金属有机骨架衍生CuO制备的自供能NH₃传感器，该传感器通过基于聚四氟乙烯(PTFE)和橡胶的contact-separation式摩擦电纳米发电机（TENG）驱动。制备的TENG的开路电压可达810 V，短路电流可达34 μA。TENG可以支持10.84 W·m^-2的最大峰值功率密度，并且至少能点亮480个LED。在PET柔性衬底上设计了一种基于单电极工作模式的柔性TENG，用于人体运动监测。利用摩擦电纳米发电机驱动的自供电氨气传感器，在室温下具有良好的响应(约24.8)。Ti₃C₂T_xMXene/CuO传感器对氨气优异的气敏性能可以通过气体吸附模型和双组分的协同效应来解释。

图1.TENG驱动自供电氨气传感器示意图以及TENG工作机理。

图2. TENG性能图。

图3.TENG柔性性能表征以及人体运动检测。

图4.MXene /CuO复合材料的物理表征。

图5.相关材料的对氨气的动态响应以及传感器传感原理。

图6.传感器的灵敏度、响应恢复时间、气体选择性、稳定性以及实际应用。

综上所述，本文制备了一种由基于PTFE和橡胶的TENG驱动的MXene/CuONH₃传感器。TENG的开路电压可达810V，短路电流可达34 μA。TENG可以支持10.84 W·m^-2的最大峰值功率密度，并且至少能点亮480个LED。此外，还演示了基于单电极工作模式的柔性TENG装置作为一种可穿戴的身体运动检测装置。TENG驱动的自供电NH₃传感器在室温下响应良好(24.8)，可用于检测猪肉的变质，并通过一系列表征方法分析了Ti₃C₂T_x、MXene和CuO的性能。最后，通过对气体吸附和解吸过程的讨论，系统地分析了MXene/CuO复合材料对NH₃的增强传感机理。

文献链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c09015.