二氧化碳不僅是全球變暖的主要原因，而且其對人體健康所造成的影響也受到人們越來越多的重視。CO2濃度超過1,000 ppm時會影響人類的生活健康。因此，檢測CO2濃度對環境檢測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雜、需外加電源及工作溫度高等問題，限制了其在物聯網中的應用。近年來，摩擦納米發電機(TENG)作為一項新能源技術，能夠從環境和人體中收集機械能并將之轉化為電能，同時可應用于各種自驅動的傳感器。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的應用范圍。由于常溫常壓下，每種氣體都有其獨特的放電特性，因此，可以開發出在室溫下工作，具有高檢測靈敏度并且不需要外部電源的新型自驅動氣敏傳感器。

【成果簡介】

近日，河南大學特種功能材料教育部重點實驗室程綱教授在Nano Energy上發表了題為“The self-powered CO2gas sensor based on gas discharge induced bytriboelectric nanogenerator”的文章。利用摩擦納米發電機引起的氣體放電對CO2的高敏感性，發展了一種新型自驅動CO2氣敏傳感器。當CO2加入到N2中時，放電過程中產生的 CO2-會阻礙等離子體的形成，這會增加氣體放電的閾值電壓并改變放電特性。基于這些現象，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模式，當CO2濃度達到閾值時，通過使用放電停止現象實現CO2的高靈敏度檢測。基于放電頻率和放電電流對CO2濃度的依賴性，提出了臺階檢測模式和連續檢測模式，可用于檢測CO2濃度低于閾值濃度的氣體濃度。以此為基礎，本篇工作開發了一種基于摩擦納米發電機引起的氣體放電的自驅動CO2氣敏傳感器。通過三種檢測模式實現了對CO2室溫下、高靈敏且不需要外部電源的檢測。河南大學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，河南大學程綱教授和杜祖亮教授是本文的共同通訊作者。

【圖文簡介】

圖1. 基于TENG-GD的自驅動CO2傳感器的示意圖

(a) 自驅動CO2傳感器的結構圖；

(b) 自驅動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負電壓氣體放電下的輸出電流曲線

(a) d=0 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(b) d=0.01 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(c) d=0.03 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(d) d=0.06 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(e) d=0.06 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線的放大圖；

(f) d=0.08 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(g) d=0.09 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(h) d=0.11 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

(i) d=0.12 mm時，TENG-GD的輸出電流曲線；

圖3.在負電壓氣體放電下，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，CO2和N2的放電電流峰值曲線；

(d) 不同d時，CO2和N2的放電頻率曲線；

(e) 在三種放電模式：AC，正負電壓氣體放電下，在不同氣氛中的dmax。

圖4. 自驅動CO2氣敏傳感器的檢測原理示意圖和濃度響應曲線

(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d為0.15 mm時，放電電流隨CO2氣體濃度變化的曲線；

(d)當d為0.45 mm時，放電電流隨CO2氣體濃度變化的曲線。

圖5.氣體濃度對放電電流的影響曲線

(a)在負電壓氣體放電下，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靈敏度

(a) 不同d下，放電頻率對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的靈敏度。

【小結】

本文中，利用摩擦納米發電機引起的氣體放電對CO2的高敏感性，發展了一種新型自驅動CO2氣敏傳感器。研究發現，將CO2加入N2中，會在放電過程中產生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。基于這些現象，提出了不同類型的CO2氣體傳感模式：閾值濃度檢測模式，臺階檢測模式和連續檢測模式。通過三種檢測模式協同作用，實現了對CO2濃度從1000~200,000 ppm的檢測。這里提出的新型自驅動CO2氣體傳感器在室溫下工作，具有高檢測靈敏度并且不需要外部電源，在發展面向物聯網的自驅動氣敏傳感網絡中具有潛在的應用。