DOI: 10.1002/advs.202203428

气敏材料能够对环境中的特定气体进行动态识别和含量监测，在气敏领域的应用前景广阔。然而，弱吸附性能是限制气敏材料应用的主要挑战。在此，本文制备了一种具有层状结构的高吸附性气敏纤维素纳米纤维（CNF）基摩擦电材料，并将其应用于自供电气体传感。三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十三氟代正辛基硅烷纤维素纳米纤维（PFOTES-CNF）基气敏材料的层状结构进一步增强了材料的吸附性能，这是由于摩擦电引起的静电场中的静电吸附。研究发现，在PFOTES-CNF中负载Ti3C2Tx得到的氨敏感材料对100ppm氨气显示出快速响应/恢复（12/14s）、高灵敏度响应（Vair/Vgas=2.1）、高选择性响应（37.6%）和低检测限（10ppm）。此外，氨敏感性CNF基摩擦电材料可以准确识别10-120ppm范围内的NH3浓度变化，并将信号无线传输到用户界面，便于对环境中的NH3进行实时在线监测。总之，本文提供了一种设计和制备高性能气敏复合材料的新策略，对自供电气体传感分析具有指导意义。

图1.用于自供电气体传感的纤维素摩擦电材料。a）西柚皮内表面的层状结构。b）气敏CNF基摩擦电材料横截面层状结构。c）用于自供电气体传感的气敏CNF基摩擦电材料示意图。

图2.气敏纤维素摩擦电材料的制备。a）层状结构气敏CNF基摩擦电材料的制备过程。

图3.气敏纤维素摩擦电材料的表征。a）三种薄膜的实物图和内部结构。b）膜内纤维素与Ti3C2Tx的连接示意图。c）不同条件下薄膜的FTIR光谱。d）不同条件下薄膜的XRD谱。e）气敏纤维素摩擦电材料的拉曼光谱。f）气敏纤维素摩擦电材料的高分辨率C1s峰。g）不同Ti3C2Tx含量的薄膜的机械性能比较。h）三种薄膜表面粗糙度的比较。i）三种薄膜的电导率比较。j）PFOTES-Ti3C2Tx-CNF薄膜的映射图。

图4.纤维素摩擦电材料的摩擦电性能。a）PFOTES-Ti3C2Tx-CNF TENG的结构示意图。b）PFOTES-Ti3C2Tx-CNF TENG工作原理。c）三种薄膜的输出电荷比较。d）三种薄膜输出电压的比较。e）三种薄膜的输出电流比较。f）不同Ti3C2Tx含量的薄膜的输出电压比较。g）负载三种薄膜的输出电压比较。h）三种薄膜的负载输出电流比较。i）三种薄膜的负载输出功率密度比较。j）PFOTES-Ti3C2Tx-CNF TENG输出稳定性测试。

图5.用于氨气传感的纤维素摩擦电材料。a）层状结构材料吸附NH3的示意图。b）NH3传感机制示意图。c）有无NH3时的电流输出图。d）有无NH3时的电压输出图。e）暴露于不同浓度NH3时的电压输出图。f）NH3对尼龙薄膜输出电性能的影响。g）对100ppm NH3的实时连续响应/恢复过程。h）TENG在不同NH3浓度下的响应拟合曲线。i）TENG在20、60和100ppm NH3下15小时的长期稳定性测试。j）TENG暴露于100ppm不同干扰气体时的选择性。k）暴露于不同浓度NH3时的无线传感电压信号。l）食物变质不同时间的无线传感电压信号。