河南大学研发出自驱动CO2气敏传感器

二氧化碳不仅是全球变暖的主要原因，而且其对人体健康所造成的影响也受到人们越来越多的重视。CO2浓度超过1,000 ppm时会影响人类的生活健康。因此，检测CO2浓度对环境检测和人体健康具有非常重要的意义。目前，CO2气敏传感器普遍存在材料制备复杂、需外加电源及工作温度高等问题，限制了其在物联网中的应用。近年来，摩擦纳米发电机(TENG)作为一项新能源技术，能够从环境和人体中收集机械能并将之转化为电能，同时可应用于各种自驱动的传感器。TENG具有高电压、低电流和高阻抗的特性，其高电压容易引起气体放电，限制了表面摩擦电荷密度的提高。合理的利用TENG高压引起的气体放电可以拓展TENG的应用范围。由于常温常压下，每种气体都有其独特的放电特性，因此，可以开发出在室温下工作，具有高检测灵敏度并且不需要外部电源的新型自驱动气敏传感器。

【成果简介】

近日，河南大学特种功能材料教育部重点实验室程纲教授在Nano Energy上发表了题为“The self-powered CO2gas sensor based on gas discharge induced bytriboelectric nanogenerator”的文章。利用摩擦纳米发电机引起的气体放电对CO2的高敏感性，发展了一种新型自驱动CO2气敏传感器。当CO2加入到N2中时，放电过程中产生的 CO2-会阻碍等离子体的形成，这会增加气体放电的阈值电压并改变放电特性。基于这些现象，提出了不同类型的CO2气体传感模式。第一种模式是阈值浓度检测模式，当CO2浓度达到阈值时，通过使用放电停止现象实现CO2的高灵敏度检测。基于放电频率和放电电流对CO2浓度的依赖性，提出了台阶检测模式和连续检测模式，可用于检测CO2浓度低于阈值浓度的气体浓度。以此为基础，本篇工作开发了一种基于摩擦纳米发电机引起的气体放电的自驱动CO2气敏传感器。通过三种检测模式实现了对CO2室温下、高灵敏且不需要外部电源的检测。河南大学硕士研究生赵珂和青年教师顾广钦博士是本文的共同第一作者，河南大学程纲教授和杜祖亮教授是本文的共同通讯作者。

【图文简介】

图1. 基于TENG-GD的自驱动CO2传感器的示意图

(a) 自驱动CO2传感器的结构图；

(b) 自驱动CO2传感器的电路图；

(c) RIE蚀刻PTFE膜表面的AFM图像；

(d) RIE蚀刻的PTFE膜表面的SEM图像。

图2. 不同d下，TENG-GD在CO2负电压气体放电下的输出电流曲线

(a) d=0 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(b) d=0.01 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(c) d=0.03 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(d) d=0.06 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(e) d=0.06 mm时，TENG-GD的输出电流曲线的放大图；

(f) d=0.08 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(g) d=0.09 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(h) d=0.11 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

(i) d=0.12 mm时，TENG-GD的输出电流曲线；

图3.在负电压气体放电下，TENG-GD在N2和CO2气体中的放电特性及在N2、空气、O2和CO2中的最大放电距离

(a) N2中放电电流随d的变化曲线；

(b)CO2中放电电流随d的变化曲线；

(c) 不同d时，CO2和N2的放电电流峰值曲线；

(d) 不同d时，CO2和N2的放电频率曲线；

(e) 在三种放电模式：AC，正负电压气体放电下，在不同气氛中的dmax。

图4. 自驱动CO2气敏传感器的检测原理示意图和浓度响应曲线

(a) TENG-GD在N2中的放电原理示意图；

(b) 通入一定量CO2后，TENG-GD在N2中的放电原理示意图；

(c) 当d为0.15 mm时，放电电流随CO2气体浓度变化的曲线；

(d)当d为0.45 mm时，放电电流随CO2气体浓度变化的曲线。

图5.气体浓度对放电电流的影响曲线

(a)在负电压气体放电下，不同CO2浓度下不同d的放电电流峰值曲线；

(b) 不同d的Cth曲线；

(c)不同d下检测的CO2的Cth的放电电流曲线。

图6. 放电频率随CO2浓度的变化曲线及不同模式的检测灵敏度

(a) 不同d下，放电频率对CO2浓度的依赖性。

(b) 不同CO2浓度下，放电电流峰值和频率响应的灵敏度。

【小结】

本文中，利用摩擦纳米发电机引起的气体放电对CO2的高敏感性，发展了一种新型自驱动CO2气敏传感器。研究发现，将CO2加入N2中，会在放电过程中产生CO2-，阻碍等离子体的形成，增加气体放电的阈值电压并改变放电特性。基于这些现象，提出了不同类型的CO2气体传感模式：阈值浓度检测模式，台阶检测模式和连续检测模式。通过三种检测模式协同作用，实现了对CO2浓度从1000~200,000 ppm的检测。这里提出的新型自驱动CO2气体传感器在室温下工作，具有高检测灵敏度并且不需要外部电源，在发展面向物联网的自驱动气敏传感网络中具有潜在的应用。