01 研究背景

氨气（NH3）对人体组织和免疫系统有害，并能抑制细胞生长，同时也是诊断肝硬化等疾病的重要生物标志物。在微生物活动和氨基酸脱羧作用的影响下，富含蛋白质的食物（如鱼、虾、猪肉）在变质过程中会释放NH3。因此，NH3传感器在食品安全、环境监测和医疗诊断等领域具有重要应用价值。近年来，基于摩擦电与静电感应耦合效应的摩擦电纳米发电机（TENG）因其材料选择广泛、成本低、结构简单等优点受到广泛关注。作为集成自供电传感器，TENG在气体浓度监测方面展现出巨大潜力，并被广泛研究用于食品质量监测。

02 文章概述

近日，广西大学王双飞院士团队基于天然木材的多孔结构和PANI/SnO2界面处形成的p-n异质结，制备了一种高灵敏度的实时自供电NH3传感器。该传感器可在宽工作范围（25%~99% RH，-20~20 ℃）下表现出优异的稳定性。研究采用碱溶液处理天然木材，提升孔隙率（73.04%）和比表面积（17.4 m2/g），并在掺杂氧化锡（SnO2）修饰的木材支架上原位生长聚苯胺（PANI），构建导电网络，实现高性能NH3敏感摩擦电材料的制备。这项成果以题为《Highly ammonia-sensitive triboelectric materials enabled by gas-sensing enhancement effect》发表在最新一期的《Chemical Engineering Journal》期刊上，2022级硕士研究生罗懿为第一作者，段青山副教授为通讯作者，栗剑锋、何娟霞、宋旭玲、许贝、章志君、赵佳敏、谢雨欣、张雅琪、王正峰、尚柏均、周敏新、聂双喜参与研究。

03 文章导读

1. 摩擦电材料的设计策略

在本研究中，摩擦电材料的设计策略通过三步制备而成。首先，天然轻木经过碱处理后形成了大量的多通道孔隙，这为PANI原位生长提供了丰富的活性位点。采用真空浸渍法将SnO2纳米颗粒和苯胺单体引入支架，SnO2纳米颗粒附着在木材细胞壁上，苯胺分子通过氢键与纤维素结合。最后，加入过硫酸铵，诱导苯胺单体在支架上原位聚合，形成导电网络。PANI与SnO2形成的p-n异质结进一步增强了材料对NH3的响应能力。

2. 摩擦电材料的表征

通过 XPS、XRD、TEM、SEM、FTIR 等表征手段分析了该NH3敏感摩擦电材料的组成和结构。结果表明，PANI/SnO2在轻木支架上成功构建，并通过氢键与纤维素结合。无定形PANI与SnO2紧密结合，两者之间存在明显的界面，证实了PANI/SnO2的p-n异质结形成。

3. 摩擦电材料的摩擦电性能

利用该摩擦电材料设计了一种自供电传感器。结果表明，当SnO2的添加量为0.2 g时，表现出最佳的输出性能，开路电压达到50 V。这可能是因为添加了n型SnO2改变功函数并在适当的SnO2添加量下增加摩擦电层材料的表面电荷密度含量，增强其电性能实验。该传感器在-20~35 °C环境下能保持稳定的能量收集效率，经过40000次循环测试后性能稳定。在25%~99% RH的湿度范围内信号稳定，在2 Hz运行条件下输出电压可达50 V，最大瞬时功率密度达2.5 μW/cm2。

4. 摩擦电材料的氨气敏感性能

当PANI暴露于NH3气氛中时，发生氧化聚合形成N—H?键（质子化），导致载流子浓度降低、电阻增加。掺杂HCl的PANI能产生更多质子，增强导电性和对NH3的敏感性。将SnO2掺入PANI中时，由于两者费米能级差异，电子从高能级转移至低能级，SnO2中的电子与PANI中的空穴相互扩散，直到费米能级平衡，同时形成p-n异质结和耗尽层。引入NH3时，吸附在表面的NH3分子提取质子，导致PANI中的空穴和SnO2中的电子朝相反方向移动，直到费米能级达到新平衡。此过程增加了界面处的耗尽层厚度，进而提高电阻。p-n异质结的电学敏感性使得该材料能有效放大NH3信号，增强对低浓度NH3的检测能力。实验表明，传感器在NH3浓度为100 ppm时的响应率达到40%，检测限为5 ppm，且具有快速响应（14 s）/恢复（35 s）能力，并表现出优异的选择性。

5. 自供电氨气传感器的应用演示

本研究基于BPST的气体传感器通过检测NH3分子与摩擦电材料表面相互作用引起的摩擦电性能差异来监测NH3。我们设计了一个无线实时传感系统，将检测结果转化为电信号并通过蓝牙传输至APP显示。通过观察不同温度下储存猪肉的情况，结果显示：20°C下猪肉腐败快，NH3浓度升高，传感器信号峰值下降；4°C下腐败慢，信号变化小；-20°C下猪肉未腐败，信号稳定。系统结果与NH?浓度与摩擦电性能的关系一致，证明该传感器在实时食品质量监测中的潜力。

04 结论

综上所述，本研究成功开发了一种基于多孔轻木支架和PANI/SnO2异质结的集成型天然木质NH3传感器，其检测范围宽广，检测限低，能够在室温及冷冻温度下进行实时食品质量评估。轻木支架为SnO2纳米粒子提供了丰富的附着点，并为PANI的原位生长提供了成核位点。由PANI/SnO2形成的异质结结构在NH3感应增强效应中起着关键作用，显著提高了室温下NH3的灵敏度和检测限。此外，它还表现出在高湿度（99% RH）和低温（-20 °C）下的良好稳定性。本研究为自供电气体传感器在食品质量监测和环境安全检测领域提供了新的研究思路。未来，该技术有望在食品冷链、工业废气监测和医疗诊断等方面发挥作用。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160466