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我所制備無線自供電氨泄漏傳感器用于氨能船舶

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

  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從業人員的關注,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,長期接觸過量的氨氣會導致氨中毒,在狹窄的機艙內,氨氣泄漏會嚴重危害船員的生理健康。因此,針對長途海上航行,開發一種實時準確監測氨氣濃度的方法至關重要。

  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。碳納米管與導電聚合物具備的協同效應,可以提高電子傳導效率,進而顯著增強室溫下的傳感性能?;谠摬牧系膫鞲衅鞅憩F出了檢測限低(0.2ppm)、響應時間短(約90s)、選擇性高、穩定性好、成本低、可使用性強等特點,可充分滿足所需要的傳感性能。該傳感器通過與低功耗藍牙模塊的組合,實現了從檢測模塊到計算機終端的快速無線通訊;再通過與海事大學提供的蜂窩結構摩擦納米發電機相結合,收集了船舶發動機振動產生的機械能,并將其轉化為電能,成功實現了整個傳感系統的自驅動。隨后,該設備在大連海事大學提供的遠航科考船上進行了實地測試:在高溫高濕度的底層機艙中,整個傳感系統保持了正常運作,充分證實了其在實際應用中的潛力。該自供電無線檢測系統可為遠洋航行中的氨泄漏行為進行長期免維護監測,為氨能的進一步應用推廣發揮了重要作用。

  馮亮團隊長期致力于傳感器敏感膜的表界面調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行了深入探究:通過模板法構筑雙介孔結構,以及蠕蟲狀導電聚合物孔道,提高了半導體膜對氣體分子的捕捉效率,實現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筑半導體膜材料,實現氨氣與苯胺的雙通道檢測(Nano Energy,2021);通過調節水凝膠體系的超分子作用力,研發了一種新型超分子水凝膠基氣體傳感器(ACS Sens.,2020)。

  相關研究成果以“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組博士畢業生??∮?、大連海事大學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新基金等項目的支持。(文/圖 王振名)

  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107271

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