研究背景

氣流傳感器在環境監測、生物醫學、可穿戴設備等領域應用廣泛，但傳統傳感器存在剛性笨重、依賴外部電源、靈活性不足等局限，難以滿足柔性可穿戴場景的需求。水蒸發誘導發電技術（WEIG）通過離子選擇性傳輸實現自供能，為解決電源依賴問題提供了新思路，但其在氣流傳感中的應用尚未被深入探索。此外，電紡納米纖維膜因高比表面積、高孔隙率和柔性，是構建柔性器件的理想基材，但如何通過材料設計賦予其自供能與氣流傳感功能，成為研究的關鍵挑戰?；诖?，研究團隊開發了一種基于木質素/ZnO納米纖維膜的自供能柔性氣流傳感器，旨在突破傳統傳感器的性能瓶頸。

研究成果

人們對柔性傳感器和可穿戴設備的興趣與需求正迅速增長。發電這一附加功能使氣體傳感器能夠實現自供能，從而提高了這類設備在柔性可穿戴氣流傳感器中的適用性。受水蒸發誘導發電現象的啟發，本研究探索了其在傳感應用中的潛力，而這一領域尚未得到詳細研究。德國哥廷根大學張凱教授團隊研究通過電紡技術制備了具有ZnO納米顆粒層的超親水木質素/ZnO納米纖維膜，該膜能夠產生至少100 mV的電壓（足以驅動自身的信號傳導）。這種膜對氣流變化具有高度敏感性，可作為超靈敏的柔性氣流傳感器使用。該傳感器表現出優異的性能，包括快速的響應時間（0.65 s）、寬泛的檢測范圍（檢測下限低至0.25 m/s，上限為3 m/s）以及極高的氣流速度檢測精度。此外，它還能作為可穿戴傳感器用于汗液監測、運動檢測和呼吸監測（準確檢測呼吸頻率、強度以及語音變化）。這種自供能、超靈敏且柔性的木質素/ZnO氣流傳感器為推動智能紡織品和可穿戴電子設備的發展提供了新的潛力。相關研究以“Electrospun Lignin/ZnO Nanofibrous Membranes for Self-Powered Ultrasensitive Flexible Airflow Sensor and Wearable Device”為題發表在Advanced Materials期刊上。

研究亮點

1. 機制創新：首次將WEIG技術應用于氣流傳感，利用水蒸發速率與氣流的關聯實現自供能檢測，突破傳統傳感器的電源依賴。

2. 性能突破：兼具超快速響應（0.65 s）、寬檢測范圍（0.25~3 m/s）和高穩定性，性能優于近年報道的壓電、熱對流等類型傳感器。

3. 材料設計：木質素與ZnO協同提升親水性和導電性，CaCl?梯度修飾解決水源依賴問題，實現全柔性、可穿戴場景適配。

4. 多功能集成：同一器件可實現氣流測速、汗液監測、呼吸識別等多任務，展現從環境感知到人體健康管理的跨場景應用潛力。

研究內容

1. 材料制備與結構設計

- 通過電紡技術制備木質素-PAN納米纖維膜（LP-NF），再經溶劑熱反應在纖維表面原位生長ZnO納米顆粒，得到LP-ZnO-NF膜。ZnO納米顆粒增加比表面積和電荷載體，木質素的含氧基團提升親水性，協同增強水蒸發效率與導電性。

- 部分樣品通過滴涂CaCl?溶液形成濃度梯度（LP-ZnO-CaCl?-NF），利用CaCl?的強吸濕性維持非對稱潤濕狀態，擺脫對液態水源的依賴，拓展穿戴應用場景。

Figure 1. Schematic illustration of the fabrication process, working principle, and application of LP- ZnO-CaCl2-NF) membrane as a wearable device.

2. 性能表征

- 自供能特性：LP-ZnO-NF膜可產生至少100 mV電壓，無需外部電源即可驅動信號傳輸。

- 氣流傳感性能：響應時間僅0.65 s，檢測范圍寬（0.25~3 m/s），靈敏度達1.79%·(m/s)?1，且對氣流角度、位置具有空間敏感性（頂部區域響應更強）。

- 穩定性：連續監測4小時信號穩定，75次循環測試性能無衰減，纖維定向排列結構增強水傳輸效率，保障響應一致性。

Figure 2. Structural, chemical and morphological characterization of prepared nanofibrous membranes.

Figure 3. Airflow response performance of LP-ZnO-NF airflow sensor.

3. 應用驗證

- 運動檢測：可感知玩具車 passing 產生的氣流變化，響應峰值與車速呈線性關系（R2=0.9913），潛在作為自供能測速儀。

- 穿戴監測：LP-ZnO-CaCl?-NF膜可集成于衣物或口罩，實現：

- 汗液監測：對0.5% NaCl溶液（模擬汗液）產生顯著電壓響應；

- 呼吸監測：區分休息（12~15次/分鐘）、運動（>60次/分鐘）和正常呼吸（≈20次/分鐘），甚至識別“Hi”“Hello”等語音呼吸模式；

- 周圍運動預警：感知人員經過產生的氣流，為視障人士提供安全提示。

Figure 4. Application of the lignin/ZnO airflow sensor.

總結與展望

本研究開發的木質素/ZnO納米纖維膜氣流傳感器，通過材料協同設計與結構優化，實現了自供能、超靈敏、柔性化的氣流檢測，成功應用于運動監測、穿戴健康管理等場景，為智能紡織品和可穿戴電子設備提供了新思路。 未來可通過優化ZnO負載量、調控CaCl?梯度分布進一步提升靈敏度與長期穩定性；拓展在濕度敏感環境（如浴室、廚房）的應用，或與其他傳感器集成實現多參數監測（如溫濕度-氣流耦合感知），推動其在智能家居、遠程醫療等領域的商業化。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202502211