德国哥廷根大学：研发木质素/ZnO“呼吸纤维”：自供能气流传感的柔性新突破

研究背景

气流传感器在环境监测、生物医学、可穿戴设备等领域应用广泛，但传统传感器存在刚性笨重、依赖外部电源、灵活性不足等局限，难以满足柔性可穿戴场景的需求。水蒸发诱导发电技术（WEIG）通过离子选择性传输实现自供能，为解决电源依赖问题提供了新思路，但其在气流传感中的应用尚未被深入探索。此外，电纺纳米纤维膜因高比表面积、高孔隙率和柔性，是构建柔性器件的理想基材，但如何通过材料设计赋予其自供能与气流传感功能，成为研究的关键挑战。基于此，研究团队开发了一种基于木质素/ZnO纳米纤维膜的自供能柔性气流传感器，旨在突破传统传感器的性能瓶颈。

研究成果

人们对柔性传感器和可穿戴设备的兴趣与需求正迅速增长。发电这一附加功能使气体传感器能够实现自供能，从而提高了这类设备在柔性可穿戴气流传感器中的适用性。受水蒸发诱导发电现象的启发，本研究探索了其在传感应用中的潜力，而这一领域尚未得到详细研究。德国哥廷根大学张凯教授团队研究通过电纺技术制备了具有ZnO纳米颗粒层的超亲水木质素/ZnO纳米纤维膜，该膜能够产生至少100 mV的电压（足以驱动自身的信号传导）。这种膜对气流变化具有高度敏感性，可作为超灵敏的柔性气流传感器使用。该传感器表现出优异的性能，包括快速的响应时间（0.65 s）、宽泛的检测范围（检测下限低至0.25 m/s，上限为3 m/s）以及极高的气流速度检测精度。此外，它还能作为可穿戴传感器用于汗液监测、运动检测和呼吸监测（准确检测呼吸频率、强度以及语音变化）。这种自供能、超灵敏且柔性的木质素/ZnO气流传感器为推动智能纺织品和可穿戴电子设备的发展提供了新的潜力。相关研究以“Electrospun Lignin/ZnO Nanofibrous Membranes for Self-Powered Ultrasensitive Flexible Airflow Sensor and Wearable Device”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1. 机制创新：首次将WEIG技术应用于气流传感，利用水蒸发速率与气流的关联实现自供能检测，突破传统传感器的电源依赖。

2. 性能突破：兼具超快速响应（0.65 s）、宽检测范围（0.25~3 m/s）和高稳定性，性能优于近年报道的压电、热对流等类型传感器。

3. 材料设计：木质素与ZnO协同提升亲水性和导电性，CaCl₂梯度修饰解决水源依赖问题，实现全柔性、可穿戴场景适配。

4. 多功能集成：同一器件可实现气流测速、汗液监测、呼吸识别等多任务，展现从环境感知到人体健康管理的跨场景应用潜力。

研究内容

1. 材料制备与结构设计

- 通过电纺技术制备木质素-PAN纳米纤维膜（LP-NF），再经溶剂热反应在纤维表面原位生长ZnO纳米颗粒，得到LP-ZnO-NF膜。ZnO纳米颗粒增加比表面积和电荷载体，木质素的含氧基团提升亲水性，协同增强水蒸发效率与导电性。

- 部分样品通过滴涂CaCl₂溶液形成浓度梯度（LP-ZnO-CaCl₂-NF），利用CaCl₂的强吸湿性维持非对称润湿状态，摆脱对液态水源的依赖，拓展穿戴应用场景。

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膜可产生至少100 mV电压，无需外部电源即可驱动信号传输。

- 气流传感性能：响应时间仅0.65 s，检测范围宽（0.25~3 m/s），灵敏度达1.79%·(m/s)⁻¹，且对气流角度、位置具有空间敏感性（顶部区域响应更强）。

- 稳定性：连续监测4小时信号稳定，75次循环测试性能无衰减，纤维定向排列结构增强水传输效率，保障响应一致性。

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

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

3. 应用验证

- 运动检测：可感知玩具车 passing 产生的气流变化，响应峰值与车速呈线性关系（R²=0.9913），潜在作为自供能测速仪。

- 穿戴监测：LP-ZnO-CaCl₂-NF膜可集成于衣物或口罩，实现：

- 汗液监测：对0.5% NaCl溶液（模拟汗液）产生显著电压响应；

- 呼吸监测：区分休息（12~15次/分钟）、运动（>60次/分钟）和正常呼吸（≈20次/分钟），甚至识别“Hi”“Hello”等语音呼吸模式；

- 周围运动预警：感知人员经过产生的气流，为视障人士提供安全提示。

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

总结与展望

本研究开发的木质素/ZnO纳米纤维膜气流传感器，通过材料协同设计与结构优化，实现了自供能、超灵敏、柔性化的气流检测，成功应用于运动监测、穿戴健康管理等场景，为智能纺织品和可穿戴电子设备提供了新思路。 未来可通过优化ZnO负载量、调控CaCl₂梯度分布进一步提升灵敏度与长期稳定性；拓展在湿度敏感环境（如浴室、厨房）的应用，或与其他传感器集成实现多参数监测（如温湿度-气流耦合感知），推动其在智能家居、远程医疗等领域的商业化。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202502211