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电动汽车驱动
★ 4.0
基于氮掺杂MOF衍生In2O3核壳纤维结构的高性能自供电NO2传感器
High-Performance Self-powered NO2 Sensor with Nitrogen-doped MOF-derived In2O3 Core-shell Fiber Architecture
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 自供电NO₂传感器 氮掺杂In₂O₃ 摩擦纳米发电机 NO₂检测 可穿戴气体传感器 |
语言:
中文摘要
可穿戴气体传感器的发展需要推进低功耗传感材料的研究,并集成能量收集技术以实现可持续供电。在此,本文提出了一种自供电的 NO₂ 传感器,其关键组件包括高性能氮掺杂金属有机框架衍生的 In₂O₃(N - MOF - In₂O₃)传感器和摩擦纳米发电机(MTP - TENG)。通过简单的溶剂热法,随后进行退火处理和 NO₂ 暴露,合成了多孔核壳纤维状的 N - MOF - In₂O₃。该材料在室温下对 1 ppm 的 NO₂ 实现了卓越的响应值(1460)以及快速的响应/恢复时间(320/220 秒)。这种出色的性能指标归因于核壳结构独特的分级孔隙率以及有效氮掺杂导致的表面电子态重构。此外,MTP - TENG 的设计是将多壁碳纳米管导电网络嵌入热塑性聚氨酯中,并与聚四氟乙烯薄膜配对。将 N - MOF - In₂O₃ 传感器与 MTP - TENG 集成,可将电阻信号转换为脉冲电压输出,使响应时间缩短了 28%。本研究为室温下高性能自供电 NO₂ 检测提供了一种有前景的策略,有助于可穿戴气体传感设备的发展。
English Abstract
The development of wearable gas sensors requires advancing low-power sensing materials and integrating energy harvesting technologies for sustainable power supply. Here, a self-powered NO2 sensor is proposed, employing a high-performance nitrogen-doped metal-organic framework derived In2O3 (N-MOF-In2O3) sensor and triboelectric nanogenerator (MTP-TENG) as its key components. The porous core-shell fiber-like N-MOF-In2O3 is synthesized through a straightforward solvothermal method followed by annealing and NO2 exposure, achieving an exceptional response value (1460) and fast response/recovery time (320/220 s) to 1 ppm NO2 at room temperature. The remarkable performance metrics are attributed to the unique hierarchical porosity of the core-shell architecture and the reconstruction of surface electronic states resulting from effective nitrogen doping. Additionally, MTP-TENG is designed with a conductive network of multi-walled carbon nanotubes embedded in thermoplastic polyurethane and paired with a polytetrafluoroethylene film. The integration of the N-MOF-In2O3 sensor with the MTP-TENG enables the conversion of a resistive signal into a pulsed voltage output, resulting in a 28% reduction in response time. This study provides a promising strategy for high-performance, self-powered NO2 detection at room temperature, contributing to the development of wearable gas-sensing devices.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项自供电NO₂传感技术展现出与我们储能系统和智能运维领域的潜在协同价值。该技术的核心创新在于将高性能气体传感器与摩擦纳米发电机(TENG)集成,实现能量自给,这与我们在分布式能源管理和设备智能化方向的战略高度契合。
在光伏电站和储能电站的运维场景中,NO₂等有害气体的监测对于设备安全和人员健康至关重要。传统气体监测系统依赖外部供电和复杂布线,在大规模光伏阵列和储能集装箱的分布式部署中成本高昂。该论文提出的自供电方案,通过摩擦发电技术从环境振动中获取能量,配合室温工作的高灵敏传感器(1ppm检测响应值达1460),可实现免维护、低成本的气体安全监测网络。特别是其320/220秒的快速响应/恢复时间,对于储能系统的早期火灾预警具有实际应用价值。
从技术成熟度评估,MOF衍生材料和TENG技术均处于实验室向产业化过渡阶段。主要挑战包括:材料制备的规模化一致性、长期稳定性验证、以及与现有BMS/EMS系统的数据集成。然而,这也为阳光电源带来技术布局机遇——可探索将此类传感技术整合到智慧能源管理平台,构建涵盖环境监测的综合安全体系。
建议关注该技术在电化学储能热失控早期预警中的应用潜力,并评估与我们iSolarCloud平台的数据融合可能性,这将强化阳光电源在新能源系统安全性和智能化方面的竞争优势。