吉林大学张彤、周婷婷Nano Energy: 面向智慧农业应用的超灵敏、表面等离子体光驱动的MXene基多功能氨气传感系统

多功能、低功耗的气体传感系统对于智慧农业体系的构建起着至关重要的作用。目前所广泛应用的半导体式气体传感器多工作在150-450°C的温度范围内。这种高温工作条件在降低传感器功耗、电子电路设计以及易燃易爆气体检测等方面存在诸多问题。因此，构筑兼具室温传感能力和优异敏感性能的气体传感器具有重要意义。

近日，吉林大学张彤、周婷婷等人在Nano Energy上发表了题为“Light-driven, ultra-sensitive and multifunctional ammonia wireless sensing system by plasmonic-functionalized Nb₂CT_xMXenes towards smart agriculture”的研究工作。该工作将等离子体Au纳米棒嵌入Nb₂CT_x层间，设计了室温下对氨气具有高灵敏、低检测限、快速响应时间的敏感材料。其中，Nb₂CT_x作为良好的导电层，其表面的原位氧化位点可以进行有效的氨气吸附和电荷传输。在近红外光辐照下，Au纳米粒子产生20nm范围内的等离子体局域热点，实现了对局域反应位点的精准控温，使传感器摆脱了加热电极的束缚。同时，Au纳米棒的等离子共振效应促进了气敏反应的进行，大幅度提高了传感器的灵敏度，实现了室温下对农业环境有害气体-氨气的有效检测。进一步，将氨气传感器与湿度、温度传感器集成，构建了集湿度、温度监测于一体的氨气无线传感系统。该系统通过蓝牙模块将环境信息传输至手机端，能够实现在养殖场、蔬菜大棚等农业环境中温度、湿度、氨气浓度的全天候、实时监测，该工作为构建智慧农业体系中的多功能环境传感系统提供了可行的思路。

图1、由Au/HT-Nb₂CT_x基氨气传感器、温度传感器和湿度传感器构成的传感系统及智慧农业应用示意图

图2、Au/HT-Nb₂CT_x敏感材料的表征结果

图3、DFT理论计算及Au/HT-Nb₂CT_x材料光电性能测试结果

图4、Au/HT-Nb₂CT_x基氨气传感器的气敏性能测试结果

图5、Au/HT-Nb₂CT_x基传感器的敏感机理分析

图6、基于Au/HT-Nb₂CT_x材料的氨气、温度、湿度传感系统构建及面向智慧农业的应用

上述工作是该团队近期关于可穿戴柔性传感器的最新进展之一 。吉林大学 微纳传感材料与器件实验室（SMDLAB）长期致力于面向工业生产安全、环境污染、人体健康以及家居环境等领域的气体、湿度、压力、温度、生物分子等传感检测，开展微纳米传感材料的设计和制备、传感器的结构设计以及应用开发。相关成果还发表在 Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Small、Small Methods、Biosensors & Bioelectronics、Journal of Hazardous Material、ACS Applied Materials & Interfaces、ACS Sensors、IEEE Electron Device Letters、Sensors and Actuators B:Chemical等期刊上。

原文详情：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108216

本文由作者供稿