大連化物所制備無線自供電氨泄漏傳感器用于氨能船舶

　　近日，大連化物所化學(xué)傳感器研究組(106組)馮亮研究員團(tuán)隊與大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院徐敏義教授團(tuán)隊合作，在氨能船舶的氨泄漏監(jiān)測方面取得新進(jìn)展。合作團(tuán)隊提出了一套完整的無線傳輸自供電傳感系統(tǒng)，包括基于蜂窩狀摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的發(fā)電系統(tǒng)、基于碳納米管摻雜的聚吡咯(CNTs-PPy)的氨檢測系統(tǒng)，以及信號采集傳輸系統(tǒng)等。
 

　　近年來，液氨作為一種船用燃料，因為其零碳、儲存安全和高能量密度的特點，得到了越來越多的研究人員和航運業(yè)從業(yè)人員的關(guān)注，并且未來有望成為最重要的船舶能源之一。然而，氨氣是一種常見的有毒氣體，會刺激人的黏膜和呼吸系統(tǒng)，長期接觸過量的氨氣會導(dǎo)致氨中毒，在狹窄的機(jī)艙內(nèi)，氨氣泄漏會嚴(yán)重危害船員的生理健康。因此，針對長途海上航行，開發(fā)一種實時準(zhǔn)確監(jiān)測氨氣濃度的方法至關(guān)重要。
 

　　本工作中，研究人員制備了一種基于碳納米管摻雜的聚吡咯氨氣檢測系統(tǒng)。碳納米管與導(dǎo)電聚合物具備的協(xié)同效應(yīng)，可以提高電子傳導(dǎo)效率，進(jìn)而顯著增強(qiáng)室溫下的傳感性能?；谠摬牧系膫鞲衅鞅憩F(xiàn)出了檢測限低(0.2ppm)、響應(yīng)時間短(約90s)、選擇性高、穩(wěn)定性好、成本低、可使用性強(qiáng)等特點，可充分滿足所需要的傳感性能。該傳感器通過與低功耗藍(lán)牙模塊的組合，實現(xiàn)了從檢測模塊到計算機(jī)終端的快速無線通訊；再通過與海事大學(xué)提供的蜂窩結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)相結(jié)合，收集了船舶發(fā)動機(jī)振動產(chǎn)生的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，成功實現(xiàn)了整個傳感系統(tǒng)的自驅(qū)動。隨后，該設(shè)備在大連海事大學(xué)提供的遠(yuǎn)航科考船上進(jìn)行了實地測試：在高溫高濕度的底層機(jī)艙中，整個傳感系統(tǒng)保持了正常運作，充分證實了其在實際應(yīng)用中的潛力。該自供電無線檢測系統(tǒng)可為遠(yuǎn)洋航行中的氨泄漏行為進(jìn)行長期免維護(hù)監(jiān)測，為氨能的進(jìn)一步應(yīng)用推廣發(fā)揮了重要作用。
 

　　馮亮團(tuán)隊長期致力于傳感器敏感膜的表界面調(diào)控及分析物分子的高效捕獲研究，在以電信號輸出為主的快速檢測方面進(jìn)行了深入探究：通過模板法構(gòu)筑雙介孔結(jié)構(gòu)，以及蠕蟲狀導(dǎo)電聚合物孔道，提高了半導(dǎo)體膜對氣體分子的捕捉效率，實現(xiàn)了室溫下氨氣高速靈敏檢測(Adv. Funct. Mater.，2020；ACS Appl. Mater. Interfaces，2020)；通過在柔性基底表面構(gòu)筑半導(dǎo)體膜材料，實現(xiàn)氨氣與苯胺的雙通道檢測(Nano Energy，2021)；通過調(diào)節(jié)水凝膠體系的超分子作用力，研發(fā)了一種新型超分子水凝膠基氣體傳感器(ACS Sens.，2020)。
 

　　相關(guān)研究成果以“A Full-set and Self-powered Ammonia Leakage Monitor System based on CNTs-PPy and Triboelectric Nanogenerator for Zero-carbon Vessels”為題，發(fā)表在《納米能源》(Nano Energy)上。該工作的共同第一作者是我所106組博士畢業(yè)生?？∮?、大連海事大學(xué)博士研究生朱傳慶和我所106組博士研究生王振名。上述工作得到了所創(chuàng)新基金等項目的支持。(文/圖 王振名)