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桂银刚副教授团队在国际期刊《Nano Energy》发表最新研究成果
发布时间:2023-01-06 19:27:50   作者:桂银刚   审核:倪九派   浏览次数:

近日,工程技术学院桂银刚副教授团队提出了一种用于痕量级乙醇气体监测的自驱动传感系统NNES),该项研究成果突破了传统气体传感器工作温度高、需要外部独立供电的严重缺陷推动摩擦纳米发电机自驱动气体传感领域的应用,同时也满足了农业工业物联网对低功耗、小型化和可维护传感器的需求,是前期研究工作Energy Conversion and Management 269 (2022) 116098Sensors & Actuators: B. Chemical 377 (2023) 133053进一步拓展。该研究相关成果以A self-powered β-Ni(OH)2/MXene based ethanol sensor driven by an enhanced triboelectric nanogenerator based on β-Ni(OH)2@PVDF at room temperature”为题发表国际期刊《Nano Energy。西南大学工程技术学院2021级硕士研究生贺莎莎为第一作者,桂银刚副教授为通讯作者,西南大学工程技术学院为唯一完成单位。

NNES系统基于β-Ni(OH)2@PVDF摩擦纳米发电机(NP-TENG)自适应采集环境机械能,集成式驱动β-Ni(OH)2/MXene气敏传感单元,实现痕量级乙醇气体监测。通过探究β-Ni(OH)2/MXene气敏传感机理、重构复合材料微纳表面、优化气敏传感单元与NP-TENG的阻抗匹配,协同增强NNES的气敏响应性能。在室温26°C、相对湿度87%条件下,NNES对乙醇气体的检测范围可达0~500ppm,对100ppm的乙醇气体具有出色的响应(~6.67)和快速响应/恢复时间(15s/4s,如图1所示。基于NNES构建的便携式自驱动乙醇报警系统,实现了乙醇气体浓度在线监测与超阈值报警功能,具有广泛的实际应用意义。

 

1. NP-TENG驱动的自供能乙醇传感系统(NNES)示意图。

 

此外,通过优化β-Ni(OH)2@PVDF复合材料的复合比例,显著提升了NP-TENG自驱动能力,使其开路电压峰峰值可达427.95 V,输出功率密度可达482.9 mW/m2NP-TENG不仅可以作为小型电子装置的电源,如LED和温湿度传感器;在对进行柔性改性后,NP-TENG还可以作为柔性可穿戴传感器,将运动能量转换为电信号,实现人体特征信息实时采集的可穿戴应用,如触摸、压力、弯曲、运动等,如图2所示。

2. (a) 不同电容器的电压充电曲线。(b) ⅰ.用于驱动微电子器件的电路原理图;ⅱ. "SWU TENG"模式串联的LED可以由NP-TENG点亮。(c) 用于驱动温、湿度计的电容器的充电/放电特性曲线。(d) 用于人体运动检测的柔性NP-TENG的结构示意图。插图:柔性NP-TENG的实物图。(e) 用不同数量的手指按压NP-TENG时的输出电压。(f) 用不同力度按压时NP-TENG的输出电压。(g) 柔性NP-TENG在不同弯曲角度下的电压输出。柔性NP-TENG在人体各部位的运动检测应用:(h) 肘部和(i) 脚部。

 

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108132


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