河南大學(xué)研發(fā)出自驅(qū)動(dòng)CO2氣敏傳感器

二氧化碳不僅是全球變暖的主要原因，而且其對(duì)人體健康所造成的影響也受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?。CO2濃度超過1,000 ppm時(shí)會(huì)影響人類的生活健康。因此，檢測(cè)CO2濃度對(duì)環(huán)境檢測(cè)和人體健康具有非常重要的意義。目前，CO2氣敏傳感器普遍存在材料制備復(fù)雜、需外加電源及工作溫度高等問題，限制了其在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。近年來，摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)作為一項(xiàng)新能源技術(shù)，能夠從環(huán)境和人體中收集機(jī)械能并將之轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)可應(yīng)用于各種自驅(qū)動(dòng)的傳感器。TENG具有高電壓、低電流和高阻抗的特性，其高電壓容易引起氣體放電，限制了表面摩擦電荷密度的提高。合理的利用TENG高壓引起的氣體放電可以拓展TENG的應(yīng)用范圍。由于常溫常壓下，每種氣體都有其獨(dú)特的放電特性，因此，可以開發(fā)出在室溫下工作，具有高檢測(cè)靈敏度并且不需要外部電源的新型自驅(qū)動(dòng)氣敏傳感器。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，河南大學(xué)特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室程綱教授在Nano Energy上發(fā)表了題為“The self-powered CO2gas sensor based on gas discharge induced bytriboelectric nanogenerator”的文章。利用摩擦納米發(fā)電機(jī)引起的氣體放電對(duì)CO2的高敏感性，發(fā)展了一種新型自驅(qū)動(dòng)CO2氣敏傳感器。當(dāng)CO2加入到N2中時(shí)，放電過程中產(chǎn)生的 CO2-會(huì)阻礙等離子體的形成，這會(huì)增加氣體放電的閾值電壓并改變放電特性?；谶@些現(xiàn)象，提出了不同類型的CO2氣體傳感模式。第一種模式是閾值濃度檢測(cè)模式，當(dāng)CO2濃度達(dá)到閾值時(shí)，通過使用放電停止現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)CO2的高靈敏度檢測(cè)?；诜烹婎l率和放電電流對(duì)CO2濃度的依賴性，提出了臺(tái)階檢測(cè)模式和連續(xù)檢測(cè)模式，可用于檢測(cè)CO2濃度低于閾值濃度的氣體濃度。以此為基礎(chǔ)，本篇工作開發(fā)了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)引起的氣體放電的自驅(qū)動(dòng)CO2氣敏傳感器。通過三種檢測(cè)模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO2室溫下、高靈敏且不需要外部電源的檢測(cè)。河南大學(xué)碩士研究生趙珂和青年教師顧廣欽博士是本文的共同第一作者，河南大學(xué)程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。

【圖文簡(jiǎn)介】

圖1. 基于TENG-GD的自驅(qū)動(dòng)CO2傳感器的示意圖

(a) 自驅(qū)動(dòng)CO2傳感器的結(jié)構(gòu)圖；

(b) 自驅(qū)動(dòng)CO2傳感器的電路圖；

(c) RIE蝕刻PTFE膜表面的AFM圖像；

(d) RIE蝕刻的PTFE膜表面的SEM圖像。

圖2. 不同d下，TENG-GD在CO2負(fù)電壓氣體放電下的輸出電流曲線

(a) d=0 mm時(shí)，TENG-GD的輸出電流曲線；

(b) d=0.01 mm時(shí)，TENG-GD的輸出電流曲線；

(c) d=0.03 mm時(shí)，TENG-GD的輸出電流曲線；

(d) d=0.06 mm時(shí)，TENG-GD的輸出電流曲線；

(e) d=0.06 mm時(shí)，TENG-GD的輸出電流曲線的放大圖；

(f) d=0.08 mm時(shí)，TENG-GD的輸出電流曲線；

(g) d=0.09 mm時(shí)，TENG-GD的輸出電流曲線；

(h) d=0.11 mm時(shí)，TENG-GD的輸出電流曲線；

(i) d=0.12 mm時(shí)，TENG-GD的輸出電流曲線；

圖3.在負(fù)電壓氣體放電下，TENG-GD在N2和CO2氣體中的放電特性及在N2、空氣、O2和CO2中的最大放電距離

(a) N2中放電電流隨d的變化曲線；

(b)CO2中放電電流隨d的變化曲線；

(c) 不同d時(shí)，CO2和N2的放電電流峰值曲線；

(d) 不同d時(shí)，CO2和N2的放電頻率曲線；

(e) 在三種放電模式：AC，正負(fù)電壓氣體放電下，在不同氣氛中的dmax。

圖4. 自驅(qū)動(dòng)CO2氣敏傳感器的檢測(cè)原理示意圖和濃度響應(yīng)曲線

(a) TENG-GD在N2中的放電原理示意圖；

(b) 通入一定量CO2后，TENG-GD在N2中的放電原理示意圖；

(c) 當(dāng)d為0.15 mm時(shí)，放電電流隨CO2氣體濃度變化的曲線；

(d)當(dāng)d為0.45 mm時(shí)，放電電流隨CO2氣體濃度變化的曲線。

圖5.氣體濃度對(duì)放電電流的影響曲線

(a)在負(fù)電壓氣體放電下，不同CO2濃度下不同d的放電電流峰值曲線；

(b) 不同d的Cth曲線；

(c)不同d下檢測(cè)的CO2的Cth的放電電流曲線。

圖6. 放電頻率隨CO2濃度的變化曲線及不同模式的檢測(cè)靈敏度

(a) 不同d下，放電頻率對(duì)CO2濃度的依賴性。

(b) 不同CO2濃度下，放電電流峰值和頻率響應(yīng)的靈敏度。

【小結(jié)】

本文中，利用摩擦納米發(fā)電機(jī)引起的氣體放電對(duì)CO2的高敏感性，發(fā)展了一種新型自驅(qū)動(dòng)CO2氣敏傳感器。研究發(fā)現(xiàn)，將CO2加入N2中，會(huì)在放電過程中產(chǎn)生CO2-，阻礙等離子體的形成，增加氣體放電的閾值電壓并改變放電特性?；谶@些現(xiàn)象，提出了不同類型的CO2氣體傳感模式：閾值濃度檢測(cè)模式，臺(tái)階檢測(cè)模式和連續(xù)檢測(cè)模式。通過三種檢測(cè)模式協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO2濃度從1000~200,000 ppm的檢測(cè)。這里提出的新型自驅(qū)動(dòng)CO2氣體傳感器在室溫下工作，具有高檢測(cè)靈敏度并且不需要外部電源，在發(fā)展面向物聯(lián)網(wǎng)的自驅(qū)動(dòng)氣敏傳感網(wǎng)絡(luò)中具有潛在的應(yīng)用。