河南大学Nano Energy: 基于摩擦纳米发电机气体放电的自驱动CO2气敏传感器

【引言】

二氧化碳不仅是全球变暖的主要原因，而且其对人体健康所造成的影响也受到人们越来越多的重视。CO₂浓度超过1,000 ppm时会影响人类的生活健康。因此，检测CO₂浓度对环境检测和人体健康具有非常重要的意义。目前，CO₂气敏传感器普遍存在材料制备复杂、需外加电源及工作温度高等问题，限制了其在物联网中的应用。近年来，摩擦纳米发电机(TENG)作为一项新能源技术，能够从环境和人体中收集机械能并将之转化为电能，同时可应用于各种自驱动的传感器。TENG具有高电压、低电流和高阻抗的特性，其高电压容易引起气体放电，限制了表面摩擦电荷密度的提高。合理的利用TENG高压引起的气体放电可以拓展TENG的应用范围。由于常温常压下，每种气体都有其独特的放电特性，因此，可以开发出在室温下工作，具有高检测灵敏度并且不需要外部电源的新型自驱动气敏传感器。

【成果简介】

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授在Nano Energy上发表了题为“The self-powered CO₂ gas sensor based on gas discharge induced by triboelectric nanogenerator”的文章。利用摩擦纳米发电机引起的气体放电对CO₂的高敏感性，发展了一种新型自驱动CO₂气敏传感器。当CO₂加入到N₂中时，放电过程中产生的 CO₂^-  会阻碍等离子体的形成，这会增加气体放电的阈值电压并改变放电特性。基于这些现象，提出了不同类型的CO₂气体传感模式。第一种模式是阈值浓度检测模式，当CO₂浓度达到阈值时，通过使用放电停止现象实现CO₂的高灵敏度检测。基于放电频率和放电电流对CO₂浓度的依赖性，提出了台阶检测模式和连续检测模式，可用于检测CO₂浓度低于阈值浓度的气体浓度。以此为基础，本篇工作开发了一种基于摩擦纳米发电机引起的气体放电的自驱动CO₂气敏传感器。通过三种检测模式实现了对CO₂室温下、高灵敏且不需要外部电源的检测。河南大学硕士研究生赵珂和青年教师顾广钦博士是本文的共同第一作者，河南大学程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。

【图文导读】

图1. 基于TENG-GD的自驱动CO₂传感器的示意图

(a) 自驱动CO₂传感器的结构图；

(b) 自驱动CO₂传感器的电路图；

(c) RIE蚀刻PTFE膜表面的AFM图像；

(d) RIE蚀刻的PTFE膜表面的SEM图像。

图2. 不同d下，TENG-GD在CO₂负电压气体放电下的输出电流曲线

(a) d=0 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(b) d=0.01 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(c) d=0.03 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(d) d=0.06 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(e) d=0.06 mm时，TENG-GD的输出电流曲线的放大图；

(f) d=0.08 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(g) d=0.09 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(h) d=0.11 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(i) d=0.12 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

图3. 在负电压气体放电下，TENG-GD在N₂和CO₂气体中的放电特性及在N₂、空气、O₂和CO₂中的最大放电距离

(a) N₂中放电电流随d的变化曲线；

(b) CO₂中放电电流随d的变化曲线；

(c) 不同d时，CO₂和N₂的放电电流峰值曲线；

(d) 不同d时，CO₂和N₂的放电频率曲线；

(e) 在三种放电模式：AC，正负电压气体放电下，在不同气氛中的d_max。

图4. 自驱动CO₂气敏传感器的检测原理示意图和浓度响应曲线

(a) TENG-GD在N₂中的放电原理示意图；

(b) 通入一定量CO₂后，TENG-GD在N₂中的放电原理示意图； 

(c) 当d为0.15 mm时，放电电流随CO₂气体浓度变化的曲线；

(d) 当d为0.45 mm时，放电电流随CO₂气体浓度变化的曲线。

图5. 气体浓度对放电电流的影响曲线

(a) 在负电压气体放电下，不同CO₂浓度下不同d的放电电流峰值曲线；

(b) 不同d的C_th曲线；

(c) 不同d下检测的CO₂的C_th的放电电流曲线。

图6. 放电频率随CO₂浓度的变化曲线及不同模式的检测灵敏度

(a) 不同d下，放电频率对CO₂浓度的依赖性。

(b) 不同CO₂浓度下，放电电流峰值和频率响应的灵敏度。

【小结】

本文中，利用摩擦纳米发电机引起的气体放电对CO₂的高敏感性，发展了一种新型自驱动CO₂气敏传感器。研究发现，将CO₂加入N₂中，会在放电过程中产生CO₂^-  _，阻碍等离子体的形成，增加气体放电的阈值电压并改变放电特性。基于这些现象，提出了不同类型的CO₂气体传感模式：阈值浓度检测模式，台阶检测模式和连续检测模式。通过三种检测模式协同作用，实现了对CO₂浓度从1000~200,000 ppm的检测。这里提出的新型自驱动CO₂气体传感器在室温下工作，具有高检测灵敏度并且不需要外部电源，在发展面向物联网的自驱动气敏传感网络中具有潜在的应用。

文献链接： 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.)

网址链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518307018 

【作者简介】

赵珂，女，1992年生，硕士研究生，现就读于河南大学特种功能材料重点实验室。研究方向是基于摩擦纳米发电机诱导的气体放电的自驱动气敏传感器。

顾广钦，男，1992年生，青年教师，于2018年在北京纳米能源与系统研究所获得博士学位，导师王中林院士。现在是河南大学特种功能材料重点实验室讲师。在ACS Nano、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Nano Research等期刊发表SCI论文10余篇。主要研究方向是摩擦纳米发电机和自驱动传感器。

程纲，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，河南省高校创新团队带头人，河南省科技创新杰出青年，河南省学术技术带头人。2003年起，在河南大学特种功能材料教育部重点实验室工作，2013-2016年在佐治亚理工学院做访问学者，从事纳米结构与光电器件的研究。在ACS Nano、Adv. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Phys. Lett.等期刊发表SCI论文40余篇。主持国家自然科学基金3项，获得河南省科技进步二等奖2项。主要研究方向有：纳米结构与光电器件，纳米发电机，自驱动传感器等。

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

杜祖亮，男，1966年7月生，博士，教授，博士生导师，中原学者。特种功能材料教育部重点实验室常务副主任。教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队牵头人，中国有序分子膜专业委员会副主任，教育部新世纪优秀人才，享受政府特殊津贴专家，河南省优秀专家，河南省特聘教授，河南省跨世纪学术和技术带头人。主持完成国家重大基础研究973前期专项、国家自然科学基金重大纳米研究计划、国家自然科学基金面上项目、教育部高校科技创新工程重大项目等国家级科研项目10余项；河南省创新人才项目、河南省杰出青年基金项目等省部级项目10余项。获河南省科学技术进步二等奖（自然科学类）2项；发表SCI学术论文200余篇；书（章节）2部；鉴定成果7项，发明专利24件（已授权14件）。主要从事高效能光电纳米结构材料与器件研究，在纳米结构材料的制备、组装、器件构筑及其光电性能等方面，形成了较系统的研究工作。结合分子组装（化学法）和纳米压印技术（物理法），建立了独具特色的纳米结构材料构筑技术，实现了纳米结构的大面积低成本制备；搭建了三类特色研究平台，实现了微纳区的光电测量。在国际上率先建立了双模板仿生矿化材料合成新方法；建立了低维半导体纳米结构受控表面态的表面势垒物理模型，研制了基于表面肖特基势垒的光电纳米器件；发现并阐明了微米/纳米有序结构的光电增强现象，为发展高效能薄膜太阳能电池和量子点发光二极管(QLED)开辟了新途径。

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

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

本文由河南大学供稿，材料人编辑部整理。

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