Alveolus-Inspired Active Membrane Sensors for Self-Powered Wearable Chemical Sensing and Breath Analysis

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作者
Yuanjie Su,Jianjun Wang,Bo Wang,Tiannan Yang,Boxi Yang,Guangzhong Xie,Yihao Zhou,Songlin Zhang,Huiling Tai,Zhixiang Cai,Guorui Chen,Yadong Jiang,Lei Chen,Jun Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (5): 6067-6075 被引量:268
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c01804
摘要

Fossil fuel internal combustion engines generate and release a huge amount of nitrogen dioxide, leading to respiratory and allergic diseases such as asthma, pneumonia, and possibly tuberculosis. Here we develop an alveolus-inspired membrane sensor (AIMS) for self-powered wearable nitrogen dioxide detection and personal physiological assessment. The bionic AIMS exhibits an excellent sensitivity up to 452.44%, a good linearity of 0.976, and superior selectivity under a NO2 concentration of 50 ppm. Furthermore, the AIMS can also be employed to diagnose human breath behaviors for breath analysis. The fundamental sensing mechanism is established using a combination of thermodynamic analysis, finite-element analysis, and phase-field simulations. It is found that the depolarization field inside the sensitive materials plays a crucial role in the self-powered gas-sensing performance. This work not only provides an efficient, low-cost, portable, and environmentally friendly means for active environmental assessment and personal biomonitoring but also provides a deep understanding of the gas-sensing mechanisms.
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