《SnO2/KNN納米纖維的力電耦合效應與主動式氫敏機理研究》是依託湖北大學，由王釗擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：SnO2/KNN納米纖維的力電耦合效應與主動式氫敏機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王釗
- 依託單位：湖北大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
實現安全準確的氫氣檢測是氫能安全套用的前提。針對氫氣感測器被動檢測時回響滯後及供電系統不易維護等問題，本項目擬採用SnO2修飾的鈮酸鉀鈉(KNN)壓電納米纖維實現主動式氫氣檢測，結合微流晶片中待測氣體與納米纖維的力-電耦合構建自供電氫氣感測器。首先，採用靜電紡絲和燒結法製備SnO2/KNN納米纖維，研究製備工藝對SnO2修飾層尺寸、形貌和界面原子結構的影響，探索表面修飾與納米纖維氫敏特性、電輸運行為和介電壓電性能的關聯性，分析納米纖維室溫氫敏和機電轉換性能的調控機理，最佳化自供電氫敏性能。然後，研究氣流和納米纖維在微流通道中的力-電耦合效應，分析晶片構型、氣流行為和纖維機電轉換性能的關係，實現高效機電能量轉換，獲得快速靈敏且穩定可靠的自供電氫氣感測器。本項目的順利實施，將為自供電氫氣感測器的研製提供理論和實驗依據，對促進感測系統小型化和集成化，推動氫能的安全套用具有重要意義。
結題摘要
隨著感測器件的尺寸不斷降低，鋰離子電池等傳統供電單元已無法滿足感測系統集成化、智慧型化發展的需求，自供電感測系統的研發已成為感測器領域研究人員關注的焦點之一。本項目採用靜電紡絲技術先後實現了(K,Na)NbO3（KNN）、NaNbO3(NN)和聚偏氟乙烯(PVDF)等多種壓電納米纖維的可控制備，利用水熱合成法生長了KNN單晶納米棒陣列和SnO2單晶納米棒微納結構，並製備了SnO2納米顆粒修飾的KNN納米棒陣列和納米纖維等複合材料。通過最佳化材料製備工藝、改善退火條件等方法，分別實現了KNN和PVDF納米纖維和納米棒陣列的壓電性能最佳化，所得KNN納米棒陣列的徑向壓電常數達到360 pm/V。在此基礎上，首先探索了KNN、NN和PVDF納米纖維及KNN納米棒陣列在固態條件下的壓電能量收集特性，獲得了輸出電壓達到2-10V的多種壓電能量收集器件，並實現了對動態應變的幅度和頻率的自供電探測。其次，分析了SnO2單晶納米棒的室溫氫敏性能，發現在材料經真空退火後對氫氣的室溫回響靈敏度可達100以上，且回響時間短、恢復快、選擇性好。然後，結合有限元仿真設計並構建了基於壓電納米纖維的微流控能量收集器件，探明了微流控晶片的溝道結構、尺寸對器件能量收集特性的影響規律，分別實現了對液、氣單相和兩相流體的微能量收集，獲得了自供電微流體壓強和粘度感測器件。最後，通過分析不同濕度和光照條件下，NN納米纖維和SnO2/KNN納米棒陣列的壓電能量收集特性的變化，獲得了自供電濕度感測器和紫外線感測器件。所得研究成果可為自供電感測器件和智慧型感測系統的研究與開發提供理論依據和實驗基礎，推動我國智慧型感測領域的發展。
