1、第40卷第2期2023年3月新疆大学学报（自然科学版）（中英文）Journal of Xinjiang University(Natural Science Edition in Chinese and English)Vol.40,No.2Mar.,2023棉纤维在气敏传感领域的应用研究吴钊峰1,2，沈 超1,2，张炜钰1,2，王 龙1,2，张宇智1,2，段海明1,2(1.新疆大学 物理科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐 830017；2.新疆固态物理与器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830017)摘要：首先，介绍了棉花和气敏传感器的研究现状；其次，围绕棉纤维及其制品具有可再生、易降解、气体通透
2、性好、成本低等优点，重点介绍了棉纤维作为气敏传感材料模板、传感基底和传感材料前体物在气敏传感领域的应用；最后，对棉纤维在气敏传感器领域的应用研究进行了总结和展望关键词：棉纤维；气敏传感器；传感材料；传感基底；气敏传感材料模板DOI：10.13568/ki.651094.651316.2022.06.14.0002中图分类号：O64文献标识码：A文章编号：2096-7675(2023)02-0191-05引文格式：吴钊峰,沈超,张炜钰,王龙,张宇智,段海明.棉纤维在气敏传感领域的应用研究J.新疆大学学报(自然科学版)(中英文),2023,40(2):191-195.英文引文格式：WU Zhaof
3、eng,SHEN Chao,ZHANG Weiyu,WANG Long,ZHANG Yuzhi,DUAN Haiming.Ap-plication of cotton fiber in the field of gas sensingJ.Journal of Xinjiang University(Natural Science Edition inChinese and English),2023,40(2):191-195.Application of Cotton Fiber in the Field of Gas SensingWU Zhaofeng1,2,SHEN Chao1,2,Z
4、HANG Weiyu1,2,WANG Long1,2,ZHANG Yuzhi1,2,DUAN Haiming1,2(1.School of Physics and Technology,Xinjiang University,Urumqi Xinjiang 830017,China;2.Xinjiang KeyLaboratory of Solid State Physics and Devices,Xinjiang University,Urumqi Xinjiang 830017,China)Abstract：Firstly,the research status of cotton an
5、d gas sensor is introduced,and then we focuses on the applicationof cotton fiber as precursor of sensing material template,sensing substrate and gas sensing material in the field ofgas sensing around the advantages of cotton fiber and its products,such as renewable,easy to degrade,good gaspermeabili
6、ty and low costs.Finally,the application of cotton fiber in the field of gas sensors is summarized andprospected.Key words：cotton fiber;gas sensors;sensing material;sensing substrate;sensing material template0棉花和棉纤维化学棉花是关系国计民生的重要战略物资，也是仅次于粮食的第二大农作物12 我国是世界上主要产棉国之一，目前我国的棉花产量已经进入世界前列 我国棉花种植遍布全国，形成了以西北
7、内陆、黄河流域、长江流域为代表的三大产棉区34 棉花以纤维的形式存在，主要含有纤维素、多缩戊糖、蛋白质、脂肪和蜡质等物质5成熟的棉花纤维素含量接近100%，为天然的纯纤维素来源 纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种碳水化合物，由44.4%碳、6.2%氢和49.4%氧元素组成 一般来说，棉纤维的直径约为10m，长度约为几厘米，是由纤维素大分子通过分子间的氢键作用形成的，在一定条件下，微米尺度的棉纤维可以分解为纳米尺度的纤维素纳米晶5 随着科学技术的发展，棉花的应用领域不断扩展 近年来，棉纤维的应用从传统的织物、服装和棉被等领域开始扩展到一些新兴领域，如储能、传感、电磁屏蔽、污水治理和气体吸附
8、等，其科技含量和经济附加值都得到显著提升611 基于近年来棉花产业的新变化和新应用，本文聚焦棉纤维在气敏传感领域的新应用和新进展，从传感材料模板、传感基底和传感材料前体物三个方面介绍棉纤维在气敏传感领域的应用研究现状收稿日期：2022-06-14基金项目：国家自然科学基金“COFs基仿生结构柔性爆炸物传感器的构效关系研究”（21964016）；新疆维吾尔自治区高校科研计划“棉花基碳纤维电子鼻的研发及其构效关系研究”（XJEDU2020Y004）；新疆维吾尔自治区自然科学基金“面向臭氧及其前体物检测的柔性传感器构效关系研究”（2019D01C019）作者简介：吴钊峰（1983-），男，博士，副教
9、授，主要从事气敏传感器的研究，E-mail:通讯作者：段海明（1970-），男，博士，教授，主要从事计算凝聚态物理及计算材料科学的研究，E-mail:192新疆大学学报（自然科学版）（中英文）2023年1棉纤维在气敏传感领域的应用研究现状气敏传感器是将采取到的被测量信息，按一定规律转换成电信号，是人类储存和传达信息的装置12 气敏传感器在国防安全、工业生产、矿山开采、健康监控、大气污染预警、污染溯源等方面发挥着重要作用13 随着物联网、5G通信技术的飞速发展以及人们对健康的日益重视，气敏传感器的作用也逐渐得到重视 一般而言，气敏传感器由传感材料和传感基底两部分构成，两者都对传感器的传感性能发挥
10、着重要作用1415 因此，可以从传感材料和传感基底两个方面来改善气敏传感器的性能1.1棉纤维在气敏传感材料模板上的应用研究棉纤维既具有一维的形貌结构，又是天然可再生的生物大分子，在高温氧化作用下易分解成二氧化碳和水，不会产生有毒气体和其它副产物 因此，棉纤维可以用作合成气敏传感材料的绿色模板Wang等16以棉纤维为模板，先在棉纤维上生长一层In2O3/ZnO复合物，而后在空气环境下经过煅烧除去棉纤维模板，得到了直径68m、管壁厚度12m的In2O3/ZnO复合物中空微管 由于中空多孔结构为目标气体分子的吸附和脱附提供了丰富的通道，基于In2O3/ZnO复合物中空微管的气敏传感器对包括丙酮在内的
11、几种常见气体显示出了快速、灵敏的检测能力Yan等17使用棉花作为模板分别制备了外径814m、管壁厚度约2m的ZnO和CeO2/ZnO多孔中空微管与纯ZnO相比，CeO2/ZnO复合材料由于异质结结构的存在，在260下对2104mL/m3的乙醇蒸气表现出了更高的响应，响应值达到46，其对乙醇蒸气的检测限达到5106mL/m3Ma等18以脱脂棉纤维为模板，利用浸渍煅烧两步法制备了长5070m、直径56m、管壁厚度约1m的In2O3多孔微管 基于In2O3多孔微管的传感器对Cl2显示出了良好的选择性和较高的灵敏度 由于多孔微管结构避免了In2O3纳米粒子的团聚，增大了比表面积，故In2O3多孔微管在
12、200下对1105mL/m3Cl2的响应值达到1 051，是In2O3颗粒响应值的25倍Wu等19以脱脂棉纤维为模板，采用简单的浸渍煅烧法制备了单斜晶系Fe2(MoO4)3多孔微管，并研究了煅烧温度对微管结构和气敏性能的影响，通过调控煅烧温度实现了对Fe2(MoO4)3多孔微管结构和气敏性能的调控 相似的，Song等20和Zhu等21分别采用棉花纤维作为模板，通过高温煅烧制备了中空结构的LaFeO3和SnO2传感材料，并且研究了煅烧温度对传感材料中空结构和气敏性能的影响这些研究表明利用棉纤维作为模板，通过简单的浸渍煅烧法，可以制备出具有多孔结构的微米管状气敏传感材料，有效地阻止了纳米尺度传感材
13、料的团聚，增大了传感材料的比表面积，实现了对传统传感材料气敏性能的有效调控和优异的检测效果1.2棉纤维在气敏传感基底上的应用研究传感材料一般可分为无机材料、有机材料和复合材料三种 这些传感材料多为微米或纳米粉体，需要刚性（陶瓷）或柔性（橡胶和塑料）的传感基底作为支撑材料，连同电极一起才能构成气敏传感芯片2224 目前，包括陶瓷、塑料和橡胶在内的大多数传感基底都是难降解的，例如常见的塑料需要450年才能分解24 然而，许多传感器和柔性显示器的平均寿命仅为18个月，这些电子器件失效后会产生大量的电子垃圾25 同时，这些传统传感基底的气体通透性较差，一定程度上阻碍了传感材料与目标气体的有效接触，从而
14、限制了气敏传感芯片气体传感性能的改善26 棉纤维或棉纤维织物具有可再生、易降解、气体通透性好、柔韧度高和成本低等优点，非常适合用作柔性气敏传感基底27 近年来，棉纤维或棉纤维织物作为气敏传感基底的研究报道越来越多2829Zhang等28将氧化石墨烯（GO）和Ag纳米粒子负载到棉织物上，制备出了多功能的气敏传感器 负载单层和多层GO的棉基传感芯片对1104mL/m3的NH3有良好的响应能力和稳定性 此外，该研究组还发现负载GO的棉布还具有一定的阻挡紫外线和抗菌作用，为可穿戴柔性传感器的研发提供了借鉴Indarit等30将导电聚苯胺涂覆在棉纱上制成了化学电阻型气敏传感器，而后测试了该气敏传感器对不
15、同有毒气体（NH3、NO2、CO、H2S和SO2）以及有机挥发性混合物（乙醇、甲醇、丙酮和甲苯）的传感性能，发现该气敏传感器对NH3有很高的检测灵敏度和选择性，其对NH3的最低检测限仅为4107mL/m3Han等31将单壁碳纳米管（SWCNT）和表面活性剂十二烷基苯磺酸钠分散在去离子水中，而后用刷子将混合后的SWCNT悬浮液均匀地涂覆在厚度为0.1 mm的棉纱上，制备了棉纱/SWCNT气敏传感器 棉纱/SWCNT气敏传感器不仅表现出了良好的机械弯曲稳定性，而且可检测11051104mL/m3范围内的NH3，对NH3的检测限为8106mL/m3，达到了美国职业安全与健康管理局制定的可接受的NH3
16、暴露准则 我们研究组29利用水热法将过期牛奶制备成了氮、磷和硫元素共掺杂的碳量子点（CQDs），而后将棉质洗脸巾浸没到CQDs的悬浮液中，通过氢键和偶极相互作用将CQDs负载到棉纤维第2期吴钊峰，等：棉纤维在气敏传感领域的应用研究193上，制备了棉纤维/CQDs复合物棉纤维/CQDs复合物对湿度、NH3、双氧水、甲醛、乙醇和丙酮都表现出了良好的响应能力以及不同形状的传感曲线 在图像识别技术的帮助下，不需要构建传感器阵列，仅仅依靠单个棉纤维/CQDs传感器就实现了对多种分析物的识别检测 我们研究组32还通过原位聚合法制备了棉纤维/聚苯胺复合材料，进而将其制备成了气敏传感器 由于棉织物和棉纤维具有良好的耐弯曲性能和气体通透性，棉纤维/聚苯胺复合材料对NH3表现出了良好的检测灵敏度和弯曲稳定性 此外，棉纤维/聚苯胺复合材料还表现出了良好的力学强度和电磁屏蔽能力，在柔性传感和电磁屏蔽等领域显示出了良好的综合应用潜力 以上研究表明，棉纤维及其织物作为气敏传感基底在提高气敏传感性能、降低传感器制造成本、减少电子垃圾方面具有较好的前景1.3棉纤维在气敏传感材料前体物方面的应用研究棉纤维具有一维的形貌