一种风力摩擦纳米发电机驱动的NO2气体监测系统及其制备方法及应用与流程

一种风力摩擦纳米发电机驱动的no2气体监测系统及其制备方法及应用
技术领域
1.本发明涉及二氧化氮气体检测技术领域，特别涉及一种风力摩擦纳米发电机驱动的no2气体监测系统及其制备方法及应用。


背景技术：

2.二氧化氮(no2)是大气中常见的有毒污染物，主要来源于工业生产、汽车尾气和化石燃料燃烧。它会造成严重的环境污染并且会对人体健康造成很大损害。大气中高浓度的no2容易导致光化学烟雾和酸雨的形成，低浓度的no2也会对人体健康构成威胁。长期暴露于二氧化氮的环境中会对人的眼睛和呼吸器官有强烈的刺激作用，可导致肺部疾病、呼吸系统疾病和免疫力下降，严重时会致人死亡。因此，研制可靠的便携式no2传感器对环境监测和人类健康具有重要意义。目前，no2气体传感器大多需要外接电源供电，部分传感器需要在高温下工作才能具有良好的灵敏度，这不能满足当今低功耗、可便携性、微型化的要求，给传感器的实际应用带来了巨大的成本和复杂性。在众多的检测技术中，基于摩擦电纳米发电机 (teng)的自供电传感器具有制造成本低、可室温运行、结构选择多样等优点，具有广阔的应用前景。
3.mxene作为一类二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化合物，在化学传感器、储能系统、水净化、电磁屏蔽等领域具有潜在的应用价值。近年来的研究表明，mxene敏感材料具有良好的金属导电性和丰富的表面官能团。与其它二维材料相比，mxene基气敏传感器具有较高的信噪比和较低的检测限。另外，通过对mxene掺杂改性进一步提高mxene基传感器的气敏性能是一种可行的方法。近年来，teng以高效的方式收集人体运动、水能和风能等清洁能源而受到广泛关注，而teng驱动的自供电气体传感装置作为其重要应用之一已经研制成功。许多研究表明，teng可以被用于提高传感器气敏性能、降低气敏元件功耗。然而，基于teng的自供电气体传感器大多需要固定的外界激励来维持teng的稳定输出，摩擦电传感材料本身的局限性以及外界环境造成的不稳定输出大大限制了自供电传感器的应用。
4.因此需要探索一种新的自驱动、高性能微型二氧化氮传感器来解决当前存在的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，利用摩擦纳米发电机的摩擦电特性，将环境中的风能转化为电能，进而驱动高性能微型二氧化氮气体传感器。基于wo3纳米纤维掺杂修饰ti3c2t
x mxene敏感材料的微型二氧化氮气体传感器得到更高的灵敏度，更好的重复性能，具有优异的选择性和长期稳定性的风力摩擦纳米发电机驱动的no2气体监测系统。
6.本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种风力摩擦纳米发电机驱动的no2气体监测系统，所述系统包括二氧化氮气体传感器，以及为气体传感器提供电源的风力摩
擦纳米发电机；
7.所述二氧化氮气体传感器包括基底，设于基底上端面的气体敏感材料，两个分别设于气体敏感材料两端的传感器金属电极；
8.所述风力摩擦纳米发电机包括聚全氟乙丙烯发电层，由内至外依次对称分布于聚全氟乙丙烯发电层两侧的两个聚乙烯醇/银发电层，两个发电机金属电极和两个支撑板；
9.所述两个发电机金属电极与所述传感器金属电极相连；
10.所述气体敏感材料为wo3纳米纤维掺杂修饰的ti3c2t
x mxene纳米复合薄膜。
11.进一步的，所述风力摩擦纳米发电机的正极性发电层材料为聚乙烯醇/银，负极性发电层材料为聚全氟乙丙烯。
12.进一步的，所述wo3纳米纤维的直径为300纳米，所述ti3c2t
x mxene的横向尺寸为2 微米。
13.进一步的，
14.所述发电机金属电极的材料为al、cu和ag中的一种，所述传感器金属电极的材料为 au、ag、cu、al和ni中的一种，所述传感器金属电极的厚度为20纳米，所述发电机金属电极的厚度为60微米。
15.进一步的，所述支撑板材料为亚克力板或聚氯乙烯中的一种，厚度为1毫米，所述基底为硅、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的一种，厚度为100
‑
500微米。
16.进一步的，
17.还包括labview上位机显示系统；
18.优选的，所述二氧化氮气体传感器与一定值电阻串联，所述风力摩擦纳米发电机的输出电信号经过整流稳压以后以固定直流电压给二氧化氮气体传感器和电阻供电，所述固定直流电压值为36v；
19.优选的，所述风力摩擦纳米发电机在工作过程中可两次产生脉冲电压；
20.优选的，所述发电机金属电极通过整流稳压电路模块与传感器金属电极相连。
21.进一步的，所述气体敏感材料wo3‑
mxene的二氧化氮气体传感原理为：wo3是一种以电子为主要载流子的n型半导体材料，wo3暴露在空气中时，空气中o2的氧分子被吸附在 wo3的表面，并通过捕获导带上的电子而转化为化学吸附氧阴离子o2‑
；
22.wo3传感器暴露于氧化性气体no2中时，由于no2的电子亲和度比氧气高，no2分子进一步从wo3导带捕获电子，导致传感器电阻增加，同时由于mxene具有金属导电性，这导致了在mxene和wo3界面上形成肖特基结；当引入no2气体时，电子从导带中被捕获，这将导致电子累积层变薄，传感器电阻上升，从而提高传感器的响应；
23.由于mxene具有优异的金属导电性，在气体吸附过程中还可以作为电荷传导层、宿主层和运输层，加速了电子传递，大大提高了气体的吸附和解吸速率。
24.本发明还包括一种制备风力摩擦纳米发电机驱动的no2气体监测系统的方法，
25.(1)制备二氧化氮气体传感器
26.(1
‑
1)制备wo3‑
mxene敏感材料；
27.(1
‑
2)将wo3‑
mxene敏感材料附着于基底表面，并将传感器金属电极设于气体敏感材料的两端；
28.(2)制备风力摩擦纳米发电机
29.铜箔胶带被贴在两块支撑板的表面，同时从铜箔的表面引出导线，在铜箔的表面利用静电纺丝技术制备pva/ag纳米纤维薄膜，然后固定在长方体管状物的上下对称位置，再将fep薄膜的一端固定在长方体管状物开口处的一端，另一端不固定，使其在风力作用下可上下浮动接触上下电极，fep膜的表面用纳米级砂纸打磨以提高其表面粗糙度，提高风力摩擦纳米发电机的输出性能；
30.(3)连接二氧化氮气体传感器和风力摩擦纳米发电机
31.二氧化氮气体传感器与一个定值电阻串联，风力摩擦纳米发电机与微型二氧化氮气体传感器通过整流稳压电路模块相连。
32.进一步的，具体的制备方法为：
33.(1)制备二氧化氮气体传感器
34.(1
‑
1)制备wo3‑
mxene敏感材料；
35.wo3纳米纤维采用偏钨酸铵水合物与聚乙烯醇溶液混合后通过静电纺丝仪制备纳米纤维，再在管式炉中500℃环境下煅烧2小时制得；
36.ti3c2t
x mxene采用盐酸、氟化锂和钛碳化铝在35℃下反应24小时制备；
37.将mxene加入到wo3水溶液中，mxene与wo3的质量比为1:3，磁力搅拌1小时，得到wo3‑
mxene溶液；
38.(1
‑
2)通过喷涂法将wo3‑
mxene敏感材料附着在pet基底表面，通过光刻、溅射、剥离在pet基底上表面、wo3‑
mxene敏感材料的两端加工ni/cr传感器金属电极；
39.(2)制备风力摩擦纳米发电机
40.铜箔胶带被贴在两块支撑板的表面，同时从铜箔的表面引出导线，在铜箔的表面利用静电纺丝技术制备pva/ag纳米纤维薄膜，然后固定在长方体管状物的上下对称位置，再将fep薄膜的一端固定在长方体管状物开口处的一端，另一端不固定，使其在风力作用下可上下浮动接触上下电极，fep膜的表面用纳米级砂纸打磨以提高其表面粗糙度，提高风力摩擦纳米发电机的输出性能；
41.(3)连接二氧化氮气体传感器和风力摩擦纳米发电机
42.二氧化氮气体传感器与一个定值电阻串联，四个摩擦纳米发电机分别面向东南西北四个方向并与二氧化氮气体传感器通过整流稳压模块连接，然后接入单片机的adc数据采集口。
43.本发明还包括一种风力摩擦纳米发电机驱动的no2气体监测系统的应用，所述气体检测系统根据上述的方法制备，所述气体检测系统用于风向和二氧化氮气体浓度的同时监测，可以用于检测二氧化氮的气体浓度，判断二氧化氮气体扩散方位。
44.本发明风力摩擦纳米发电机驱动的no2气体监测系统及其制备方法及应用的有益效果是：
45.(1)传感系统可以实现自驱动
46.使用聚乙烯醇/银(pva/ag)
‑
聚全氟乙丙烯(fep)风力摩擦纳米发电机实现传感系统自供电。风力摩擦纳米发电机的核心部分聚乙烯醇/银(pva/ag)和聚全氟乙丙烯(fep)薄膜的尺寸为4cm
×
8cm，通过摩擦电特性产生的最大输出功率密度可达359mw/m2。该输出功率能够驱动微型二氧化氮气体传感器，不需电池供电，为气体传感器系统整体微型化奠定基础。
47.(2)传感器灵敏度高、重复性能好
48.相比普通的微型二氧化氮气体传感器，基于wo3‑
mxene敏感材料的微型二氧化氮气体传感器对二氧化氮的灵敏度更高，并且响应线性度高(r2＝0.9726)，同时重复性能优异，可以满足在环境检测和健康监测领域对二氧化氮气体高精度测量的需求。
49.(3)风向检测可以判断有害气体扩散方位
50.四个摩擦纳米发电机分别面向东南西北四个方向并与微型二氧化氮气体传感器通过整流稳压模块连接，然后接入单片机的adc数据采集口可实现风向和二氧化氮气体浓度的同时监测，可以用于判断二氧化氮气体扩散方位。
附图说明
[0051][0052]
图1为本发明实施例聚乙烯醇/银(pva/ag)
‑
聚全氟乙丙烯(fep)风力摩擦纳米发电机结构示意图；
[0053]
图2为本发明实施例微型二氧化氮气体传感器的示意图；
[0054]
图3为本发明实施例风力摩擦纳米发电机驱动的二氧化氮气体传感监测分析系统的信号处理电路实物图和线路分布图；
[0055]
图4(a)为本发明实施例聚乙烯醇/银(pva/ag)
‑
聚全氟乙丙烯(fep)风力摩擦纳米发电机的实物照图；(b)为本发明实施例输出电压/电流与负载电阻间的关系测试结果图；
[0056]
图5为本发明实施例基于pva/ag
‑
fep风力摩擦纳米发电机在不同相对湿度下的发电性能；
[0057]
图6为本发明实施例wo3纳米纤维掺杂修饰的ti3c2t
x mxene纳米复合结构的扫描电子显微镜图；
[0058]
图7为本发明实施例风动式摩擦纳米发电机驱动的no2气体传感监测分析系统测试平台；
[0059]
图8为本发明实施例风力摩擦纳米发电机驱动的二氧化氮气体传感监测分析系统在不同气体浓度下的输出电压信号图；
[0060]
图9为本发明实施例mxene/wo3器件在不同种类气体下的响应图；
[0061]
图10为本发明实施例多功能风力自供电传感系统用于风向和二氧化氮监测的线路分布图和实际测试图。
具体实施方式
[0062]
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；
[0063]
实施例1：
[0064]
如图1
‑
10所示，一种风力摩擦纳米发电机驱动的no2气体监测系统，所述系统包括二氧化氮气体传感器，以及为气体传感器提供电源的风力摩擦纳米发电机；
[0065]
所述二氧化氮气体传感器包括基底，设于基底上端面的气体敏感材料，两个分别设于气体敏感材料两端的传感器金属电极；
[0066]
所述风力摩擦纳米发电机包括聚全氟乙丙烯发电层，由内至外依次对称分布于聚全氟乙丙烯发电层两侧的两个聚乙烯醇/银发电层，两个发电机金属电极和两个支撑板；
[0067]
所述两个发电机金属电极与所述传感器金属电极相连；
[0068]
所述气体敏感材料为wo3纳米纤维掺杂修饰的ti3c2t
x mxene纳米复合薄膜。
[0069]
所述风力摩擦纳米发电机的正极性发电层材料为聚乙烯醇/银，负极性发电层材料为聚全氟乙丙烯。
[0070]
所述wo3纳米纤维的直径为300纳米，所述ti3c2t
x mxene的横向尺寸为2微米。
[0071]
所述发电机金属电极的材料为al、cu和ag中的一种，所述传感器金属电极的材料为 au、ag、cu、al和ni中的一种，所述传感器金属电极的厚度为20纳米，所述发电机金属电极的厚度为60微米。
[0072]
进一步的，所述支撑板材料为亚克力板或聚氯乙烯中的一种，厚度为1毫米，所述基底为硅、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的一种，厚度为100
‑
500微米。
[0073]
还包括labview上位机显示系统；
[0074]
优选的，所述二氧化氮气体传感器与一定值电阻串联，所述风力摩擦纳米发电机的输出电信号经过整流稳压以后以固定直流电压给二氧化氮气体传感器和电阻供电，所述固定直流电压值为36v；
[0075]
优选的，所述风力摩擦纳米发电机在工作过程中可两次产生脉冲电压；
[0076]
优选的，所述发电机金属电极通过整流稳压电路模块与传感器金属电极相连。
[0077]
所述气体敏感材料wo3‑
mxene的二氧化氮气体传感原理为：wo3是一种以电子为主要载流子的n型半导体材料，wo3暴露在空气中时，空气中o2的氧分子被吸附在wo3的表面，并通过捕获导带上的电子而转化为化学吸附氧阴离子o2‑
；
[0078]
wo3传感器暴露于氧化性气体no2中时，由于no2的电子亲和度比氧气高，no2分子进一步从wo3导带捕获电子，导致传感器电阻增加，同时由于mxene具有金属导电性，这导致了在mxene和wo3界面上形成肖特基结；当引入no2气体时，电子从导带中被捕获，这将导致电子累积层变薄，传感器电阻上升，从而提高传感器的响应；
[0079]
由于mxene具有优异的金属导电性，在气体吸附过程中还可以作为电荷传导层、宿主层和运输层，加速了电子传递，大大提高了气体的吸附和解吸速率。
[0080]
本发明还包括一种制备风力摩擦纳米发电机驱动的no2气体监测系统的方法，
[0081]
(1)制备二氧化氮气体传感器
[0082]
(1
‑
1)制备wo3‑
mxene敏感材料；
[0083]
(1
‑
2)将wo3‑
mxene敏感材料附着于基底表面，并将传感器金属电极设于气体敏感材料的两端；
[0084]
(2)制备风力摩擦纳米发电机
[0085]
铜箔胶带被贴在两块支撑板的表面，同时从铜箔的表面引出导线，在铜箔的表面利用静电纺丝技术制备pva/ag纳米纤维薄膜，然后固定在长方体管状物的上下对称位置，再将fep薄膜的一端固定在长方体管状物开口处的一端，另一端不固定，使其在风力作用下可上下浮动接触上下电极，fep膜的表面用纳米级砂纸打磨以提高其表面粗糙度，提高风力摩擦纳米发电机的输出性能；
[0086]
(3)连接二氧化氮气体传感器和风力摩擦纳米发电机
[0087]
二氧化氮气体传感器与一个定值电阻串联，风力摩擦纳米发电机与微型二氧化氮气体传感器通过整流稳压电路模块相连。
[0088]
具体的制备方法为：
[0089]
(1)制备二氧化氮气体传感器
[0090]
(1
‑
1)制备wo3‑
mxene敏感材料；
[0091]
wo3纳米纤维采用偏钨酸铵水合物与聚乙烯醇溶液混合后通过静电纺丝仪制备纳米纤维，再在管式炉中500℃环境下煅烧2小时制得；
[0092]
ti3c2t
x mxene采用盐酸、氟化锂和钛碳化铝在35℃下反应24小时制备；
[0093]
将mxene加入到wo3水溶液中，mxene与wo3的质量比为1:3，磁力搅拌1小时，得到wo3‑
mxene溶液；
[0094]
(1
‑
2)通过喷涂法将wo3‑
mxene敏感材料附着在pet基底表面，通过光刻、溅射、剥离在pet基底上表面、wo3‑
mxene敏感材料的两端加工ni/cr传感器金属电极；
[0095]
图6为wo3纳米纤维掺杂修饰的ti3c2t
x mxene纳米复合结构的扫描电子显微镜图。
[0096]
(2)制备风力摩擦纳米发电机
[0097]
铜箔胶带被贴在两块支撑板的表面，同时从铜箔的表面引出导线，在铜箔的表面利用静电纺丝技术制备pva/ag纳米纤维薄膜，然后固定在长方体管状物的上下对称位置，再将fep薄膜的一端固定在长方体管状物开口处的一端，另一端不固定，使其在风力作用下可上下浮动接触上下电极，fep膜的表面用纳米级砂纸打磨以提高其表面粗糙度，提高风力摩擦纳米发电机的输出性能；
[0098]
(3)连接二氧化氮气体传感器和风力摩擦纳米发电机
[0099]
二氧化氮气体传感器与一个定值电阻串联，四个摩擦纳米发电机分别面向东南西北四个方向并与二氧化氮气体传感器通过整流稳压模块连接，然后接入单片机的adc数据采集口。
[0100]
图3为风力摩擦纳米发电机驱动的二氧化氮气体传感监测分析系统的信号处理电路实物图和线路分布图。
[0101]
图4(a)为聚乙烯醇/银(pva/ag)
‑
聚全氟乙丙烯(fep)风力摩擦纳米发电机的实物照图，(b)为输出电压/电流与负载电阻间的关系测试结果图。
[0102]
图5为基于pva/ag
‑
fep风力摩擦纳米发电机在不同相对湿度下的发电性能。
[0103]
本发明还包括一种风力摩擦纳米发电机驱动的no2气体监测系统的应用，所述气体检测系统根据上述的方法制备，所述气体检测系统用于风向和二氧化氮气体浓度的同时监测，可以用于检测二氧化氮的气体浓度，判断二氧化氮气体扩散方位。
[0104]
实施例2：
[0105]
聚乙烯醇/银(pva/ag)
‑
聚全氟乙丙烯(fep)风力摩擦纳米发电机具体加工流程如下：
[0106]
如图1所示，包括pvc支撑板(1
‑
1)、铜箔电极(1
‑
2)、聚乙烯醇/银(pva/ag)发电层(1
‑
3)和聚全氟乙丙烯(fep)发电层(1
‑
4)。pvc作为支撑板，铜箔胶带被贴在pvc 的表面，同时从铜箔的表面引出导线。上述模块共做了2块，在铜箔的表面利用静电纺丝技术制备pva/ag纳米纤维薄膜，之后把这两块固定在长方体管状物的上下对称位置，该管状物的侧边也是由pvc支撑板构成。再将fep薄膜的一端固定在长方体管状物开口处的一端，另一端不固定，使其在风力作用下可上下浮动接触上下电极。为了提高摩擦纳米发电机的输出性能，fep膜的表面被纳米级砂纸打磨以提高其表面粗糙度。摩擦纳米发电机的有效发电面积是
64cm2(4cm
ⅹ
8cm
ⅹ
2)，实验中采用电风扇模拟大气流动进行驱动。
[0107]
实施例3：
[0108]
二氧化氮气体传感器加工与传感系统测试：
[0109]
如图2所示，通过光刻、溅射、剥离等微加工工艺在pet基底(2
‑
1)上加工ni/cr电极 (2
‑
2)。wo3纳米纤维采用偏钨酸铵水合物与聚乙烯醇溶液混合后通过静电纺丝仪制备纳米纤维，再在管式炉中500℃环境下煅烧2小时制得；ti3c2t
x mxene采用盐酸、氟化锂和钛碳化铝在35℃下反应24小时制备。通过喷涂法将wo3‑
mxene敏感材料(2
‑
3)附着在pet基底表面。
[0110]
如图7所示，将微型二氧化氮气体传感器放置在二氧化氮气体中，风力摩擦纳米发电机的输出电信号经过整流稳压以后以固定直流电压给传感器供电，形成自供电的二氧化氮气体检测系统。
[0111]
图8显示了在不同浓度的二氧化氮中，us的电压变化。随着二氧化氮浓度从0增加到50 ppm，电压明显增加。
[0112]
微型二氧化氮气体传感器对50ppm的二氧化硫、臭氧、乙醇、丙酮和二氧化氮的响应如图9所示，传感器对二氧化氮的响应最大，表现出良好的选择性。
[0113]
如图10所示，四个摩擦纳米发电机分别面向东南西北四个方向并与微型二氧化氮气体传感器通过整流稳压模块连接，然后接入单片机的adc数据采集口可实现风向和二氧化氮气体浓度的同时监测，可以用于判断二氧化氮气体扩散方位。
[0114]
二氧化氮气体传感器与传统的微型二氧化氮气体传感器相比具有更高的灵敏度、更好的重复性能，具有优异的选择性和长期稳定性。pva/ag
‑
fep摩擦纳米发电机将环境中的风能转化为电能，进而驱动微型二氧化氮气体传感器，不需要电池供电，避免传感器对外接电池电源的依赖，为自驱动、高性能化学传感技术的发展奠定基础。
[0115]
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。