【背景介绍】
气流传感器在环境监测、生物医疗、航空航天、体感系统及可穿戴设备等领域具有重要应用价值。传统气流传感器多依赖压阻、电容、光学或磁效应下的机械形变,或通过加热元件与气流之间的热交换,借助电阻变化实现信号输出。然而,传统传感器普遍存在结构刚性大、体积笨重、依赖外部供电等问题,限制了其在柔性、便携和自供能传感领域的发展。尤其是,柔性传感器通过提升贴合性与舒适性,可实现稳定、连续的信号监测,广泛适用于可穿戴设备。因此,开发具有自供能能力的柔性气流传感器成为拓展应用场景、提升综合性能的迫切需求。
水蒸发诱导发电(WEIGs)通过水分蒸发驱动下电双层内离子选择性迁移,实现稳定的电压与电流输出,已广泛应用于小型电子器件与能源收集。发电性能受限于表面水分蒸发速率,基于该原理构建新型气流传感方法,具有重要意义。静电纺丝技术制备的纳米纤维膜兼具高比表面积、高孔隙率与优异柔性,适用于WEIGs功能材料。PAN虽具良好力学性能,但缺少电荷载体。
【主要内容】
受水分蒸发诱导发电的启发,德国哥廷根大学张凯教授团队首次将其原理应用于传感领域。采用静电纺丝技术,成功制备了具有超亲水性的木质素/ZnO纳米纤维膜,并在膜表面引入了ZnO纳米颗粒层,该结构可产生至少100 mV的电压,实现自供能信号传输。
该纳米纤维膜对气流变化表现出极高的灵敏度,可作为超灵敏柔性气流传感器。该传感器表现出优异的性能,包括快速响应时间(0.65 s)、宽广的检测范围(最低检测限为0.25 m/s,最高检测限为3 m/s)以及极高的气流速度检测精度。此外,该器件还可作为可穿戴传感器应用于汗液监测、动作检测与呼吸监测(可准确检测呼吸频率、强度及语音变化)。该类自供能、超灵敏、柔性的木质素/ZnO气流传感器为智能纺织品与可穿戴电子设备的发展提供了新的技术思路与应用潜力。研究成果以“Electrospun Lignin/ZnO Nanofibrous Membranes for Self-Powered Ultrasensitive Flexible Airflow Sensor and Wearable Device”为题发表在Advanced Materials上。论文的第一作者为哥廷根大学木材技术与木基复合材料所Yifei Zhan,通讯作者为德国哥廷根大学Kai Zhang教授。
【创新点】
1)本研究基于水蒸发诱导发电(WEIGs)机理,设计并构建了一种新型自供能超灵敏柔性气流传感器。通过静电纺丝技术制备了木质素/聚丙烯腈纳米纤维膜(LP-NF),并通过溶剂热反应在其表面原位生长ZnO纳米颗粒,得到ZnO修饰的纳米纤维膜(LP-ZnO-NF)。2)在LP-ZnO-NF膜的一端引入氯化钙(CaCl₂),通过其优异的吸湿性能,在环境湿度作用下使膜体始终维持局部湿润,成功实现了对外界液态水源依赖的彻底摆脱,极大拓展了传感器在复杂环境下的应用潜力。3)该自供能柔性气流传感器不仅可用于实时监测佩戴者的汗液分泌情况、呼吸频率与强度变化,还能灵敏捕捉人体动作与环境气流变化,具备呼吸监测、运动状态监测、语音变化感知等多种功能,展现出在智能穿戴、健康监测与人机交互等领域的广阔应用前景。
图1. LP-ZnO-CaCl2-NF膜作为可穿戴设备的制造过程,工作原理和应用的示意图
【图文解析】
研究团队通过一系列结构、化学与形貌表征,证实了该纳米纤维膜优异的综合性能。扫描电子显微镜图像显示,未经改性的木质素-聚丙烯腈纳米纤维具有良好的取向结构,平均直径约为346纳米,氧化锌修饰后,纤维直径增大至703纳米,纤维表面清晰可见氧化锌纳米颗粒,元素分布均匀。傅里叶红外光谱(FTIR)与X射线光电子能谱(XPS)分析进一步验证了氧化锌成功修饰在纳米纤维表面,X射线衍射(XRD)图谱证实了氧化锌的晶体结构。此外,水接触角测试表明,氧化锌和木质素的引入显著提升了纳米纤维膜的亲水性,实现了水滴1秒内完全吸收,有利于水分传输与蒸发效率的提升。拉伸测试与弯曲性能测试结果显示,氧化锌的修饰大幅提升了膜材的韧性与柔性,保障了其在可穿戴设备应用中的稳定性与耐久性。
图2.制备的纳米纤维膜的结构,化学和形态表征
在气流响应性能测试中,该纳米纤维膜在无气流环境下即可产生约105毫伏电压。通过设置氮气流量、角度与位置等变量,系统评估了传感器的响应特性。结果显示,气流传感器响应时间仅为0.65秒,且在0.25至3 m/s的气流速度范围内,电压变化与气流速度呈现良好的线性关系,灵敏度达1.79%(m/s)⁻¹。进一步测试发现,传感器对气流方向与作用位置敏感,顶部区域响应最强,这与顶部水分补给较弱、蒸发变化更显著有关。结构优化实验表明,定向分布的纳米纤维较随机分布结构具有更快、更强的响应性能。长期稳定性与循环可靠性测试结果显示,该气流传感器在连续工作4小时及75次开关循环中,性能稳定,无明显衰减,整体性能优于近五年内各类主流气流传感器。
图3. LP-ZnO-NF气流传感器的气流传感性能测试
在实际应用场景测试中,该团队展示了该纳米纤维膜在多功能可穿戴设备中的广阔应用潜力。利用该传感器监测玩具车经过时产生的气流变化,可实现简易测速功能,具有自供能特点,适用于环境监测与辅助测速领域。通过在膜材一端引入氯化钙(CaCl₂)形成含梯度分布的吸湿结构,进一步增强了膜材在高湿环境下的应用能力,且有效摆脱了对液态水源的依赖。仿人体汗液的测试结果表明,该膜材对汗液变化敏感,可实时监测出汗状况。将其应用于衣物,可有效感知周围人员移动,助力视障人士或低能见度环境下的安全预警。进一步地,研究人员将该纳米纤维膜集成至口罩中,实现了对佩戴者呼吸状态的精准监测。无论是静息、运动还是日常呼吸,均能通过传感器产生清晰、可区分的响应曲线,甚至可辅助区分佩戴者的语音发声状态,展现出初步的语音辅助识别能力。
图4. LP-ZnO-NF和LP-ZnO-CaCl2-NF的应用
【总结与展望】
该研究成果创新性地将水分蒸发自发电机制与柔性气流传感器结合,成功开发出一款集自供能、超灵敏、宽检测范围与良好柔性的气流传感器,并通过结构设计拓展了其在多种可穿戴设备中的应用场景。未来,随着制备工艺与功能集成的进一步优化,该类纳米纤维膜有望广泛应用于智能纺织、健康监测与人机交互等领域,推动柔性电子技术的持续发展。
原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202502211
【课题组介绍】
张凯教授课题组主页:https://www.uni-goettingen.de/de/67098.html
【原文信息】
Y. Zhan, J. Poisson, X. Meng, Z. Wang, L. Chen, T.-H. Wu, K. Zhang, Electrospun Lignin/ZnO Nanofibrous Membranes forSelf-Powered Ultrasensitive Flexible Airflow Sensor andWearable Device. Adv. Mater. 2025, 2502211