近年来，随着人工智能、物联网、5G等前沿科技的不断发展，气体传感器的国内外市场需求不断扩大，并且越来越向柔性可穿戴的方向发展。柔性气体传感器因具有良好的柔韧性、延展性以及机械力学特性，在航空航天、国防军事、医疗保健、电子皮肤、便携式可穿戴电子产品等领域的应用前景广阔。敏感材料是气体传感器的核心，合理设计和构建高性能柔性气敏材料是目前研究的前沿与热点课题。

近日，陕西师范大学卢红兵教授和西安邮电大学张金牛副教授合作，在传感器领域国际知名期刊《Sensors and Actuators: B. Chemical》上，发表了最新研究成果“PANI/Ti₃C₂T_x composite nanofiber-based flexible conductometric sensor for the detection of NH₃ at room temperature”。研究者以聚苯胺(PANI)和Ti₃C₂T_x纳米片为前驱体，通过静电纺丝技术制备了网状聚苯胺(PANI)/Ti₃C₂T_x复合纳米纤维基柔性传感器。与基于纯PANI纳米纤维的传感器相比，该新型PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器在室温时具有更高的NH₃传感响应。PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器对20 ppm NH₃在不同弯曲角和弯曲次数条件下保持稳定的敏感行为，体现了其良好的柔性弯曲稳定性。PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器同时具有良好的选择性、重复性和长期稳定性。因此，具有网状结构的PANI/Ti₃C₂T_x复合纳米纤维在构建柔性NH3传感器方面具有很大的潜力。

 图1：(a)柔性PET叉指电极、(b)柔性气体传感器、(c-e)气敏测试平台、(f)不同弯曲角度的PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器测试照片。

柔性传感器是通过静电纺丝将敏感纤维材料直接纺在柔性PET交叉电极上构建的。图1(a)显示了柔性PET交叉指状电极的示意图。图1(b)是制成的气体传感器。使用柔性器件分析系统对传感性能进行测试。如图1(f)所示，将传感器进行不同角度(0°、30°、60°、120°、150°)和不同次数的弯曲后测量传感器的敏感性能。

图2：(a) F-Ti₃C₂T_x的SEM图像、(b) TEM图像、(c) HRTEM图像；(d) PANI纳米纤维和(e) PANI/Ti₃C₂T_x复合纳米纤维的SEM图像；(f)纯聚苯胺粉末、聚苯胺纳米纤维、F-Ti₃C₂T_x纳米片和PANI/Ti₃C₂T_x复合纳米纤维的XRD谱图。

  SEM图像显示，PANI纳米纤维和PANI/Ti₃C₂T_x复合纳米纤维具有典型的三维网状纤维结构，这种网状纤维结构具有良好的柔韧性。

图3：(a) 室温下Ti₃C₂T_x纳米片、PANI纳米纤维和PANI/Ti₃C₂T_x复合纳米纤维传感器对不同浓度NH₃的动态响应曲线；(b) PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器响应与NH₃浓度的关系曲线；(c)在不同温度下，PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器对20 ppm NH₃的基线电阻和响应值；PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器在(d)不同弯曲角度和(e)不同弯曲/弯曲次数下对20 ppm NH₃的响应曲线；(f) PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器在室温下对各种气体的选择性。

与基于纯PANI纳米纤维的传感器相比，该新型PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器在室温时具有更高的NH₃敏感响应。同时，PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器在不同弯曲角度(0°、30°、60°、120°和150°)下对20 ppm NH₃具有良好的柔性弯曲稳定性，响应值约为55.90%。PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器分别在不同弯曲次数(0、200、400、600、800、1600、3200)后，响应值均在55.90%左右，总体稳定，表明PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器具有良好的柔性稳定性。

图4：(a) PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器对20 ppm NH₃在室温下5次循环的重复响应曲线；(b) 室温下PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器对20 ppm NH₃的长期稳定性敏感响应和基线电阻，(C)不同湿度下PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器对20 ppm NH₃的响应值和基线电阻；(d) PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器响应与湿度的关系曲线。

此外，PANI/Ti₃C₂T_x柔性传感器同样表现出良好的NH₃选择性，在多种干扰气体中对NH3的响应明显高于其它气体。经过5次连续测量和21天重复性测试，敏感性能未见明显衰减，表明该传感器具有良好的重复性和长期稳定性。在不同湿度条件下，该传感器还具有良好的抗湿性。

此项工作表明， PANI/Ti₃C₂T_x复合网状纳米纤维在构建柔性气体传感器方面具有很大的潜力，可用于室温下NH3的选择性检测。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925400523008432

人物简介：

卢红兵，陕西师范大学物理学与信息技术学院教授，博士生导师，于2015年获批陕西省青年科技新星荣誉称号，一直从事低维纳米材料的可控制备及物性方面的研究工作，并致力于探索其在气体传感器和信息存储领域的应用。已在国际学术刊物上发表被SCI收录的论文74篇，其中发表第一作者/通讯作者SCI文章45篇，分别发表在Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem.、Sens. Actuators B、Appl. Phys. Lett.等期刊上，近五年来作为通讯作者在气体传感领域发表了25篇SCI论文。先后主持国家自然科学基金面上项目2项、青年项目1项，陕西省青年科技新星项目1项，陕西省自然科学基金项目1项，中央高校创新团队项目、个人特别支持项目等多项。

张金牛，博士，副教授，西安邮电大学理学院教师，主要从事纳米材料的制备及其在气敏传感器领域的应用研究。目前已在国内外学术期刊上发表SCI论文35篇（包括1区论文16篇，2区论文11篇，入选ESI高被引论文2篇），其中第一作者SCI论文12篇（1区论文7篇，2区论文3篇），分别发表在Sensors and Actuators B: Chemical（7篇）、Applied Surface Science、Journal of Alloys and Compounds（3篇）等期刊上。先后主持西安邮电大学高层次人才项目1项、陕西省自然科学基金项目1项，中央高校项目2项，参与国家自然科学基金面上项目项和省部级项目多项。