水压力传感器
【背景介绍】众所周知，海洋波浪监测对于潮汐观测、海洋捕捞、早期地震和海啸预警等海洋勘探活动非常重要。虽然利用卫星定位系统可以进行陆地通信并监测陆地上的地质动荡迹象，但却无法应用于水下活动监测。因此，波浪监测须依赖先进的水下压力传感器来提供压力变化、波浪高度等一系列关键物理参数。其中，压阻传感器和电容传感器需要电源，难以进行海洋长期应用，摩擦电压力传感器需解决其对水分的敏感性，而压电传感器难以监测大多数低频（<2 Hz）海浪运动。值得一提的是，目前所有压力传感器均不能直接在水下使用，需封装器件以防止水分渗透而导致的传感组件失效。此外，由于当前水下压力传感器灵敏度探测的局限性，海啸、小生物迁徙和海底运动等活动信息难以收集。因此，迫切需要开发新型自供电式，且可在宽压力范围保持高灵敏度的水下压力传感器。【成果简介】近日，华中科技大学的徐鸣教授和德克萨斯大学达拉斯分校的Ray H. Baughman教授（共同通讯作者）等人首次研发了一种基于碳纳米管（CNTs）的新型自发电电化学压力传感器，该传感器无需封装即可直接用于水下波浪监测。该传感器利用海水作为电解质，将机械压力能电化学地转化为电能，并且可以产生响应于海水压力变化的电信号。该传感器可以探测1 mm（10 Pa）至30 m高的波浪变化，几乎涵盖了所有海洋波浪运动范围，且在海水环境中具有很高的工作循环稳定性。他们在工作过程中无需外部供电，在低于2 Hz的海水压力变化中，其所收集的比能量较商用压电传感器高出六个数量级。此外，该传感器可在宽温度范围（4-60 ℃）和大盐度区间（0.1-5 mol/L）保持优异的传感特性。更重要的是，其独特的电化学传感机制为解决压力探测在高精度、低频压力探测和宽探测范围存在的挑战，提供了全新的应对策略。研究成果以题为“Self-Powered, Electrochemical Carbon Nanotube Pressure Sensors for Wave Monitoring”发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。【图文解读】图一、自供电电化学CNT压力传感器的制备及其性能表征
（a）CNT压力传感器的制备示意图；（b）自然条件下，CNTs内部管状结构的TEM图像；（c）拉伸前后，CNT片的SEM图像；（d）正弦波和方波施加应力下，CNT压力传感器的产生的OCV和SCC变化；（e）施加压力前后，CNT传感电极薄片层的变形示意图；（f）由CNT制备的压力传感器的电容和OCV与施加压力的关系；（g）在0.02 Hz、300 kPa压力下，CNT压力传感器的峰值电压和峰值功率与负载电阻的关系。图二、CNT传感电极结构对压力传感器性能的影响
（a）拉伸过程中，不同机械牵伸应力下制备的CNT薄片的SEM和TEM图；（b）拉伸过程中，拉应力对Herman’s orientation factor取向因子（HOF）和峰峰值OCV的影响；（c）在300 kPa压力时电容变化率随HOF的变化而增大，而在0 kPa压力作用下电容随HOF的变化而减小；（d-e）当以0.5 Hz正弦波施压到172 kPa时，压力传感器产生的OCV和SCC。图三、CNT压力传感器在0.6 mol/L NaCl水溶液中的性能
（a）频率2 Hz不同正弦峰值压力下，SCC与时间的关系；（b）在2 Hz正弦施压过程，峰值SCC和灵敏度与峰值压力的关系；（c）在频率为0.01 -5 Hz范围内，峰值SCC与频率的关系；（d）压力传感器在经过10000次正弦施压循环后的峰值SCC；（e）在0.01 Hz、0.1 Hz和2 Hz时，施加的与波浪高度等效正弦压力产生的峰值SCC与波幅的关系。图四、压力传感器在模拟海洋环境中的波浪监测能力
（a）模拟的海洋环境测试系统；（b）压力传感器响应于鱼游动和潜艇运动所产生的实时SCC信号；（c）压力传感器对单次及连续水位上升和下降所产生的SCC电信号；（d）压力传感器对于单次和连续0.5 Hz桨叶旋转运动下所产生的SCC电信号。图五、温度、盐度和波浪运动对传感器性能的影响
（a）在4-60 ℃的温度范围内(0.6 mol/L NaCl电解质)，传感器峰值SCC和灵敏度与温度的关系；（b）峰值SCC和灵敏度与NaCl电解液浓度的关系；（c）在东湖中，压力传感器对近岸波浪变化产生的SCC电信号；（d）在0.6 mol/L NaCl溶液中，5×5的传感阵列对多点波浪变化的响应。【小结】综上所述，作者开发出了一类新型自供电式电化学CNT压力传感器，该传感器利用海水作为电解质直接在海洋中工作，无须封装。该传感器可以将机械液压力能电化学地转化为电能，并产生响应于水压变化的电信号。其灵敏度可高达10 Pa, 即可探测1mm的波浪变化，是当前最先进水下压力探测器件的10倍。此外，该压力传感器可探测从1 mm到30 m高的波浪变化，涵盖了几乎所有海洋中的波浪运动。总之，该CNT压力传感器在宽压力范围和低频压力探测下均具有高灵敏度，并且能够在较宽的温度范围和腐蚀性化学环境中工作，因此有望广泛用于各种应用中。文献链接：Self-Powered, Electrochemical Carbon Nanotube Pressure Sensors for Wave Monitoring（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004564）【通讯作者简介】徐鸣，华中科技大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，“饭岛赏”最年轻的获得者，曾入选国家海外高层次人才青年项目，并获“湖北省杰出青年基金”资助。共发表SCI论文45篇，授权专利9项,其中一作及通讯作者论文包括Science、Nature Catalysis, Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、JACS、Nano Letters等。研究成果获世界主流媒体(ABC News, 路透社，Discovery News)及顶级学术杂志(SCIENCE, Nature Chemistry，Angew. Chem. Int. Ed.等)广泛报道。华中科技大学碳纳米材料课题组网页链接: https://www.nanocarbon-hust.cn/（1）团队介绍华中科技大学碳纳米材料课题组成立于2013年，致力于碳纳米材料宏观结构构建及其极端环境性能研发，获批基金资助10余项。结合化学气相沉积、等离子体处理、分散、镀膜、微结构处理等多种技术，研究团队将一维、二维纳米材料如碳纳米管、石墨烯等，作为“Building Block（积木）”, 通过优化微观结构的搭建，提升其三维集合体的宏观性能, 并最终获得传统材料无法比拟的极端环境应用特性。
华中科技大学碳纳米材料课题组研究路线（2）团队在该领域工作汇总因极端环境应用的特殊性，常温环境中所使用的材料及工作机理在此环境下都面临失效难题；课题组研究人员通过对碳纳米材料的结构设计与可控制备，发展了适用于极端环境的工作机制，报道了可在-196~1000°C下服役的碳纳米管橡胶(Science, 2010, 330 (6009); Adv. Mater., 2011, 23 (32)；Nano Lett., 2011, 11 (8)；ACS Nano, 2012, 6 (7) )及碳纳米管干胶(Nat. Commun., 2016, 7, 13450)，可直接服役于水下的压力传感器(Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004564)，可在极地低温下服役的碳纳米基能量存储器件(Nat. Catal., 2019, 2 (3); Nano Energy, 2020, 1 (67); Small, 2018, 1802913(14); InfoMat, 2019, 1 (3))等一系列原创性成果，并揭示了极端环境服役的关键科学问题。其中的 “自发电型海啸预警传感器”获日内瓦国际发明展最高奖项-评审团特别嘉许金奖（2019）。
日内瓦国际发明展最高奖项-评审团特别嘉许金奖（2019）（3）相关优质文献推荐1. Zhang M et al., Self-powered, electrochemical carbon nanotube pressure sensors for wave monitoring. Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.202004564 (2020).2. Wang Y et al., High-capacity K-storage operational to -40 °C by using RGO as a model anode material. Nano Energy, 67, 104248 (2020).3. Wan X et al. Fe-N-C electrocatalyst with dense active sites and efficient mass transport for high-performance proton exchange membrane fuel cells. Nat. Catal., 2, 259-268 (2019).4. Xu M, et al. Carbon nanotube dry adhesives with temperature-enhanced adhesion over a large temperature range. Nat. Commun., 7, 13450 (2016).5. Xu M, Futaba DN, Yamada T, Yumura M, Hata K. Carbon Nanotubes with temperature-invariant viscoelasticity from -196 degrees to 1000 degrees C. Science, 330, 1364-1368 (2010).更多资料请参见：https://www.nanocarbon-hust.cn/chinaJournalpaper本文由CQR编译。投稿邮箱
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