苏州大学孙旭辉教授团队Adv. Funct. Mater.：基于摩擦起电和化致阻变共效应的自驱动汽车尾气检测系统

【引言】

随着物联网技术的快速发展，对独立、小型化、可持续、无线、多功能的传感网络的需求也在日益增长，同时考虑到物联网传感器数量的不断增大，为传感器供电成为限制其发展的瓶颈，如果传感器件能实现自供电，可以从根本上解决上述问题。近年来，基于摩擦纳米发电机的自供电传感系统可利用收集外部环境机械振动产生电能从而实现自驱动，不依赖于电池或者其他外部供电设备，引起了广泛的研究兴趣。由于该自驱动系统依靠外部机械力驱动，因此非常适用于相关物理量（如速度、位移、加速度等）的监测，但在化学量（如湿度、温度、气体等）的测试中有较大的局限性。现有的自驱动传感系统主要是将摩擦材料同时作为传感材料，利用外界环境对材料表面摩擦起电能力影响，从而起到传感作用，但该系统对材料的要求和限制比较高，同时由于外力引入的机械干扰对传感信号造成干扰，稳定性较差。因此，将摩擦纳米发电机与传感器分成两个互不干扰的部分，构建一种新型的自驱动传感系统，可以大大提高该系统的稳定性和可行性，如何利用两类完全不同器件的特点进行耦合构建该自驱动系统，成为研究难点。

【成果介绍】

近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）的孙旭辉教授团队在自驱动传感研究领域取得重要进展，在材料能源领域顶级期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“Self-Powered Vehicle Emission Testing System Based on Coupling of Triboelectric and Chemoresistive Effects”的文章，报道了一种基于摩擦起电和化致阻变共效应的新型自驱动化学传感系统，并把它应用于汽车尾气的检测。研究者使用一种接触-分离式摩擦纳米发电机置于汽车发动机顶部，将一种基于n型WO₃半导体氧化物纳米材料的电阻式氮氧化物气体传感器置于排气筒处，并联发光二极管（LED）作为显示报警灯，收集汽车发动机的机械振动产生电能为传感器供电，通过LED的亮/灭状态判断汽车尾气含量是否超标。其工作原理可以用摩擦纳米发电机和气体传感器的阻抗匹配变化过程解释：当排放尾气氮氧化物含量达标时，该气体传感器的电阻较小，其两端负载电压较小，不能达到LED的阈值电压，LED不能发光报警；当排放尾气氮氧化物含量超标时，气体传感器电阻大幅增大，一旦超过LED的阈值电压，随即闪烁发光报警。电路的负载电压随着气体传感器的工作状态的变化而变化，巧妙了利用了摩擦起电和化致阻变的耦合效应，其相互独立的工作体系大大提高了在实际应用中的稳定性和可靠性，同时不需要外部电源驱动，实现了完全的自驱动。该类自驱动传感器可以应用于所有的电阻式传感器，有较广的应用前景。该项工作的第一作者为硕士生沈青青，文震博士和孙旭辉教授为共同通讯作者。

【图文导读】

图1：基于摩擦纳米发电机的自驱动尾气检测系统示意图

图2：摩擦纳米发电机的工作原理、电学性能输出以及系统原理介绍

(a). 垂直接触分离式摩擦纳米发电机的工作原理图。

(b). 汽车发动机不同振动频率15-30 Hz下摩擦纳米发电机的电压电流输出。

(c). 摩擦纳米发电机连接外阻后的等效电路图。

(d). 汽车发动机不同振动频率15-30 Hz下连接不同外阻时的电压输出。三个工作区分别标记为区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

图3：气体传感器的性能表征

(a). WO₃气体传感器的SEM和TEM表征图以及气体传感器件架构。

(b). WO₃纳米棒的XRD表征图。

(c). WO₃纳米棒材料检测5-100 ppm NO₂气体的电阻变化图。

(d). 室温下WO₃纳米棒材料对于20 ppm的NO₂，HCHO, SO₂，CO以及CO₂的选择性。

(e). WO₃纳米棒材料检测NO₂气体的化学反应机理。

图4：自驱动NO₂气体传感系统的性能表征图

(a). 汽车发动机频率为20 Hz下，当外接电阻从68 KΩ到10 MΩ变化时电压和电流变化图。

(b). 汽车发动机频率为20 Hz下，通入0-100 ppm时电压变化图。

(c). 通入100 ppm NO₂气体时，输出电压实时变化图。

(d). 通入100 ppm NO₂气体时稳定性测试。

(e). 通入100 ppm NO₂气体时，温度在20 ^oC到100^oC变化时输出电压与响应度变化图。

(f). 通入100 ppm NO₂气体时，湿度在20%到90%变化时输出电压与响应度变化图。

图5：自驱动汽车尾气探测系统的演示图

(a). 通入100 ppm NO₂气体前小灯泡处于不亮的状态。

(b). 通入100 ppm NO₂气体后小灯泡处于亮的状态。

(c). 自驱动汽车尾气探测系统用于多通道检测多种气体的模拟电路图。

(d). 自驱动汽车尾气探测系统放置于真正汽车上的演示图。

【小结】

本文提出了一种新型的基于摩擦纳米发电机的自驱动化学传感系统并用于自驱动检测汽车尾气。垂直接触分离式的摩擦纳米发电机固定在汽车发动机上用于收集汽车振动能，电阻式的NO₂气体传感器与摩擦纳米发电机串联直接检测汽车尾气，并联在摩擦纳米发电机两端的小灯泡作为指示灯检测尾气超标情况。气体传感器的电阻变化直接导致摩擦纳米发电机两端的电压输出变化，从而直观地反映在小灯泡上。这种新型的自驱动探测系统不受外界环境变化的影响，大大地提高了稳定性和可靠性。该系统也可多通道检测多种传感信号，展示了其在环境检测上的一系列应用前景。

文献链接：

Self-Powered Vehicle Emission Testing System Based on Coupling of Triboelectric and Chemoresistive Effects (Adv. Funct. Mater., 2017, doi: 10.1002/adfm.201703420).

【课题组简介】

孙旭辉，苏州大学功能纳米与软物质研究院副院长，特聘教授，博士生导师。已发表SCI发表论文160余篇，申请中国和美国专利50余项，是中国物理学会同步辐射专业委员会常委，国际材料学会、国际电子电工学会、国际X射线吸收学会会员，和国际电子电工学会SFBA纳米技术委员会顾问，以及国家同步辐射实验室用户委员会委员、上海光源用户委员会委员、首批光束线站（XAFS和STXM线站）用户专家工作组专家成员。2010年入选“苏州市紧缺人才计划”，2011年入选江苏省“333”人才工程计划，2012年入选苏州工业园区科技领军人才。研究团队目前主要致力于纳米材料和纳米功能器件及其在电子信息、新能源和化学传感器方面的研究，以及同步辐射技术及其在纳米材料研究中的应用。

本文由苏州大学孙旭辉教授课题组提供。

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