室温自供电的基于水凝胶的柔性化学传感器，由锌空气Trojan蓄电池实现氮氧化物检测

柔性气体传感器的发展在可穿戴电子领域日益受到关注。然而，开发出低工作温度、高灵敏度和快速响应的气体传感器仍是巨大挑战。在这里，我们首先开发了聚丙烯酰胺-丙烯酸钠-柠檬酸钠（PAM-Na-SC）水凝胶电解质，并设计了基于水凝胶的二氧化氮（NO₂）气体传感器由锌空气电池（ZAB）启用。该装置通过ZAB的能量收集机制持续供电。本研究系统性地研究了PAM-Na-SC水凝胶电解质传感器的气体感应性能。此外，传感器在不同环境条件下的气体感应特性被探究，并对其底层感测机制进行了深入和详细的阐述。在室温（RT）、湿度40%、气体流量200 sccm且₂该传感器浓度为50 ppm，表现出卓越的性能，包括超高灵敏度（1174 nA/ppm）、超快响应/恢复时间（16.6秒/4.5秒）、超低细节检测极限（LOD，16.3 ppb）、卓越的选择性以及长期稳定性。这项工作为设计高性能室温、自供电和可穿戴气体传感器提供了有前景的策略。

简介

二氧化氮（NO₂）被认定为美国《清洁空气法》下的六大主要空气污染物之一（Nunez等，2024年）和世界卫生组织（WHO）。它主要在化石燃料燃烧过程中产生（Liu等，2025），通过车辆尾气排放，并通过各种工业过程释放。不₂在酸雨形成中起关键作用，并与多种呼吸疾病的发展密切相关（赵等，2025b）。而且，不₂它是哮喘诊断的重要生物标志物。通过测量一氧化氮的浓度₂在呼气中，可以准确评估气道炎症的变化，为诊断哮喘提供了关键基础（Park 等，2023;Zhao 等，2025a）。因此，在环境监测和医疗应用中，迫切需要开发一氧化氮₂能够在室温下工作、高灵敏度、响应迅速且可穿戴用于实时监测的气体传感器（Ou 等，2024）。
传统气体传感器不仅在运行时依赖连续电池供电，且由于微型化的挑战，在高度集成系统的应用中也面临限制（Wei 等，2023）。因此，自供电感应系统被认为是解决电源问题并实现微型化的最有前景方案之一。其中，锌空气电池（ZABs）因其结构灵活、生物相容性优异和理论能量密度高，已成为可穿戴电子设备领域极具前景的能源供应技术（Wu 等，2022）。其独特的半开放式架构成功建立了高效的气-液-固三相界面，确保阴极氧还原反应的持续氧气供应，并在不同环境条件下保持稳定的能量输出（Li 等，2023b）。最近，黄等人设计了一款自供电且可伸缩的H₂带有一次电池结构的S传感器（Huang等，2023）。此外，这种能量收集机制表现出即时响应，而宽带自供电系统通常需要预热和投点延迟（Sharma 等 2023,2024c;Varshney 等，2024a）。
近年来，氢凝胶在可穿戴材料中的应用引起了广泛关注，水凝胶本身已成为该领域的主要研究重点之一。作为介于固态和液态之间的材料，水凝胶将固体的机械稳健性与液体的离子运输效率整合在一起（Lim等，2021）。这表明其有很大潜力替代易泄漏的传统液体电解质，并可用于制造柔性传感装置（Wu 等，2024）。与半导体气体传感器相比（Li 等 2023a， 2024b），基于水凝胶的气体传感器具有明显优势，包括低工作温度、粘弹性特性、生物相容性（Yao 等，2025）、高灵敏度和优异的离子导电率（Wang 等，2024）。例如，丁等人成功制造了一种可逆的气体-湿度双功能传感器，结合锂离子（Li）和锌离子（Zn）⁺²⁺）进入水凝胶基质，从而赋予其智能适应性（Ding 等，2025）。Sharma等人采用了MoS。₂/WSe₂异质结构并利用紫外线作为室温催化剂，有效提升了传感器的气体感应性能，提出了极佳的创新理念（Sharma 等，2024a）。
在本研究中，一种新型电化学NO₂最初制造了基于PAM-Na-SC水凝胶电解质的气体传感器。该传感器的响应/恢复时间和灵敏度显著优于此前报道的大多数传感器（见表S1）。在相对湿度40%且湿度为50ppm的情况下，NO₂该传感器的灵敏度为1174 nA/ppm，约为使用传统氯化钠电解质的水凝胶传感器（310.2 nA/ppm）的四倍。此外，传感器表现出优异的性能，响应时间为16.6秒，恢复时间为4.5秒。深入的实验研究和多种技术，结合电化学阻抗光谱（EIS）、紫外-可见光（UV-Vis）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等多种技术，为PAM-Na-SC水凝胶传感器的气体感应机制提供了详细见解。