基于快速提高的科学认识和对更高生活品质的追求，人们要求纺织品具有功能性和智能化，并希望它能够感知人类和环境信号的变化。同时，也应突破现有传感器受到的电源供应、维护以及体积庞大等限制。

根据N.Yamazoe教授建立的化学传感器理论基础，气体传感器的传感性能主要由感知、换能和敏感体利用率三个关键因素决定。到目前为止，感知与换能两个因素的耦合实现了自供能气体探测。但同时协同优化这三个因素仍然是设计和制造高性能气体传感器的一个棘手瓶颈。

近日，电子科技大学苏元捷研究员、谢光忠教授、陈春旭博士与西南民族大学张秋平博士在期刊《Nano Energy》上发表了最新研究成果“基于核-壳结构的智能纺织品实现自主同步监测NO₂浓度和压力”（Integrated core-shell structured smart textiles for active NO₂ concentration and pressure monitoring）。研究者通过同轴静电纺丝构建了核-壳结构智能纺织品（CST），在单根纤维中耦合了聚偏二氟乙烯/锆钛酸铅（PVDF/PZT）芯层的压电换能与聚苯胺/聚乙烯吡咯烷酮（PANI/PVP）壳层的化学电阻传感特性（图1）。气体类型和浓度的化学特定信息被加载到压电传感器的输出信号中，无需电源并能够自主同步监测 NO₂气体的压力和浓度。这为自主的多功能环境监测提供了新方案，并为能量转换界面的信息获取理论模型建立提供了支持。

图1：基于核-壳结构的智能纺织品的制备过程和表征。

图2：调控微观结构对敏感体利用率的影响。

采用了扫描电子显微镜（SEM）等来表征核-壳结构纳米纤维膜的形态（图1）。在这项工作中，通过调整核-壳纺丝针头的流速或孔径大小来调节智能纺织品的微观结构，实现了对敏感体利用率的调整（图2）。

图3：基于智能纺织品的自供能NO₂传感器的气敏性能。

图4：用于同时监测气体压力和浓度的传感应用。

在充分协同和优化感知、换能和敏感体利用率三个关键因素后，制备的气体传感器实现了0.32 ppm^-1的高灵敏度、0.98的良好线性、优异的选择性和ppb级的检测极限(图3)。将核-壳结构的智能纺织品与配气系统相结合，展示出所制备的智能纺织品在多功能环境监测中具有巨大应用前景（图 4a）。在自主同步监测NO2浓度和压力的过程中，对于压力变化具有0.99的良好线性度和0.057 V/KPa的灵敏度（图4c），同时对于气体浓度变化线性度良好(0.96)且灵敏度为-5.74 mV/ppm（图 4e）。

图5：基于智能纺织品的自供能气体传感器的理论建模。

为了阐明核-壳结构智能纺织品的传感机制，通过相场模拟和有限元计算相结合，建立了能量转换界面的信息获取理论模型(图5)。本工作展示了对传感器感知、换能和敏感体利用率三个关键因素协同和优化的方案，并为开发高性能多功能可穿戴电子产品提供了新的思路。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108788