研究背景

氣流傳感器在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)傳感器存在剛性笨重、依賴外部電源、靈活性不足等局限，難以滿足柔性可穿戴場景的需求。水蒸發(fā)誘導(dǎo)發(fā)電技術(shù)（WEIG）通過離子選擇性傳輸實現(xiàn)自供能，為解決電源依賴問題提供了新思路，但其在氣流傳感中的應(yīng)用尚未被深入探索。此外，電紡納米纖維膜因高比表面積、高孔隙率和柔性，是構(gòu)建柔性器件的理想基材，但如何通過材料設(shè)計賦予其自供能與氣流傳感功能，成為研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。基于此，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于木質(zhì)素/ZnO納米纖維膜的自供能柔性氣流傳感器，旨在突破傳統(tǒng)傳感器的性能瓶頸。

研究成果

人們對柔性傳感器和可穿戴設(shè)備的興趣與需求正迅速增長。發(fā)電這一附加功能使氣體傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)自供能，從而提高了這類設(shè)備在柔性可穿戴氣流傳感器中的適用性。受水蒸發(fā)誘導(dǎo)發(fā)電現(xiàn)象的啟發(fā)，本研究探索了其在傳感應(yīng)用中的潛力，而這一領(lǐng)域尚未得到詳細(xì)研究。德國哥廷根大學(xué)張凱教授團(tuán)隊研究通過電紡技術(shù)制備了具有ZnO納米顆粒層的超親水木質(zhì)素/ZnO納米纖維膜，該膜能夠產(chǎn)生至少100 mV的電壓（足以驅(qū)動自身的信號傳導(dǎo)）。這種膜對氣流變化具有高度敏感性，可作為超靈敏的柔性氣流傳感器使用。該傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，包括快速的響應(yīng)時間（0.65 s）、寬泛的檢測范圍（檢測下限低至0.25 m/s，上限為3 m/s）以及極高的氣流速度檢測精度。此外，它還能作為可穿戴傳感器用于汗液監(jiān)測、運動檢測和呼吸監(jiān)測（準(zhǔn)確檢測呼吸頻率、強度以及語音變化）。這種自供能、超靈敏且柔性的木質(zhì)素/ZnO氣流傳感器為推動智能紡織品和可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展提供了新的潛力。相關(guān)研究以“Electrospun Lignin/ZnO Nanofibrous Membranes for Self-Powered Ultrasensitive Flexible Airflow Sensor and Wearable Device”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上。

研究亮點

1. 機制創(chuàng)新：首次將WEIG技術(shù)應(yīng)用于氣流傳感，利用水蒸發(fā)速率與氣流的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)自供能檢測，突破傳統(tǒng)傳感器的電源依賴。

2. 性能突破：兼具超快速響應(yīng)（0.65 s）、寬檢測范圍（0.25~3 m/s）和高穩(wěn)定性，性能優(yōu)于近年報道的壓電、熱對流等類型傳感器。

3. 材料設(shè)計：木質(zhì)素與ZnO協(xié)同提升親水性和導(dǎo)電性，CaCl?梯度修飾解決水源依賴問題，實現(xiàn)全柔性、可穿戴場景適配。

4. 多功能集成：同一器件可實現(xiàn)氣流測速、汗液監(jiān)測、呼吸識別等多任務(wù)，展現(xiàn)從環(huán)境感知到人體健康管理的跨場景應(yīng)用潛力。

研究內(nèi)容

1. 材料制備與結(jié)構(gòu)設(shè)計

- 通過電紡技術(shù)制備木質(zhì)素-PAN納米纖維膜（LP-NF），再經(jīng)溶劑熱反應(yīng)在纖維表面原位生長ZnO納米顆粒，得到LP-ZnO-NF膜。ZnO納米顆粒增加比表面積和電荷載體，木質(zhì)素的含氧基團(tuán)提升親水性，協(xié)同增強水蒸發(fā)效率與導(dǎo)電性。

- 部分樣品通過滴涂CaCl?溶液形成濃度梯度（LP-ZnO-CaCl?-NF），利用CaCl?的強吸濕性維持非對稱潤濕狀態(tài)，擺脫對液態(tài)水源的依賴，拓展穿戴應(yīng)用場景。

Figure 1. Schematic illustration of the fabrication process, working principle, and application of LP- ZnO-CaCl2-NF) membrane as a wearable device.

2. 性能表征

- 自供能特性：LP-ZnO-NF膜可產(chǎn)生至少100 mV電壓，無需外部電源即可驅(qū)動信號傳輸。

- 氣流傳感性能：響應(yīng)時間僅0.65 s，檢測范圍寬（0.25~3 m/s），靈敏度達(dá)1.79%·(m/s)?1，且對氣流角度、位置具有空間敏感性（頂部區(qū)域響應(yīng)更強）。

- 穩(wěn)定性：連續(xù)監(jiān)測4小時信號穩(wěn)定，75次循環(huán)測試性能無衰減，纖維定向排列結(jié)構(gòu)增強水傳輸效率，保障響應(yīng)一致性。

Figure 2. Structural, chemical and morphological characterization of prepared nanofibrous membranes.

Figure 3. Airflow response performance of LP-ZnO-NF airflow sensor.

3. 應(yīng)用驗證

- 運動檢測：可感知玩具車 passing 產(chǎn)生的氣流變化，響應(yīng)峰值與車速呈線性關(guān)系（R2=0.9913），潛在作為自供能測速儀。

- 穿戴監(jiān)測：LP-ZnO-CaCl?-NF膜可集成于衣物或口罩，實現(xiàn)：

- 汗液監(jiān)測：對0.5% NaCl溶液（模擬汗液）產(chǎn)生顯著電壓響應(yīng)；

- 呼吸監(jiān)測：區(qū)分休息（12~15次/分鐘）、運動（>60次/分鐘）和正常呼吸（≈20次/分鐘），甚至識別“Hi”“Hello”等語音呼吸模式；

- 周圍運動預(yù)警：感知人員經(jīng)過產(chǎn)生的氣流，為視障人士提供安全提示。

Figure 4. Application of the lignin/ZnO airflow sensor.

總結(jié)與展望

本研究開發(fā)的木質(zhì)素/ZnO納米纖維膜氣流傳感器，通過材料協(xié)同設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)了自供能、超靈敏、柔性化的氣流檢測，成功應(yīng)用于運動監(jiān)測、穿戴健康管理等場景，為智能紡織品和可穿戴電子設(shè)備提供了新思路。 未來可通過優(yōu)化ZnO負(fù)載量、調(diào)控CaCl?梯度分布進(jìn)一步提升靈敏度與長期穩(wěn)定性；拓展在濕度敏感環(huán)境（如浴室、廚房）的應(yīng)用，或與其他傳感器集成實現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測（如溫濕度-氣流耦合感知），推動其在智能家居、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域的商業(yè)化。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202502211