天津科技大学高萌&张正健ACS Mater Lett | 基于孔优化生物基气凝胶的气敏比色标签

英文原题：Pore-Refined Biobased Aerogel for Gas-Sensitive Intelligent Colorimetric Tags

作者：Xiaosen Pan, Wanlong Song, Huanyu Qian, Guohua Zhang, Ruiming Liu, Xiaojuan Wang*, Fengbao Chen*, Meng Gao*, and Zhengjian Zhang

能有效识别气体浓度并生成人类可识别信号的智能材料在环境监测、工业生产、食品包装和防伪材料等领域广受关注。其中，气体触发变色特性由于免去了复杂的信号调制和转换过程，表现出更大的吸引力。具有大比表面积和高孔隙率的多孔结构为气体提供了足够的存储空间、更多的吸附位点和可逆的分离特性，使其成为实现高性能气体传感的理想结构，其中，纤维素基气凝胶是合适候选者。此外，由于其天然来源，纤维素因其成本效益、生物降解性、生物相容性和食品安全等优势而受到研究目的的高度重视。然而，由于这些吸引人的特性，水升华过程中表面张力引起的较低强度和不规则的大孔限制了它们在制造耐用、灵敏和稳定的传感器方面的广泛应用和发展潜力。

天津科技大学高萌/张正健团队选用亲水性聚乙烯醇（PVA）来增强纳米纤维素（CNF）网络的均匀性、比表面积以及结构强度；同时，从红萝卜中提取的花青素（Rr）被整合到体系中，以使复合气凝胶拥有pH激发的变色特性。关键成分 PVA 的添加对改善 CNF 气凝胶的多孔结构起着重要作用，可以归纳为以下三点：（1）亲水性 PVA 促进了凝胶体系均匀性，这对于孔隙分布和尺寸的均匀性是必要的。（2）CNF 与水分子之间的氢键相互作用转化为 CNF 与 PVA 之间的氢键相互作用，避免了水分子蒸发过程中 CNF 因牵引和拖拽引起的结构粘附。（3）PVA 和 CNF 之间的链式氢键提高了结晶度，从而赋予干燥的气凝胶更强的骨架结构，以便于更好地保留孔隙形态。该策略下，气凝胶比表面积增加了14.35倍，孔体积增加了21.24倍，气体吸附-解吸能力增加了16.91倍。此外，静态和动态压缩性能分别提高了5.20倍和5.59倍。气凝胶表现出对NH₃气体的高灵敏度，能够在 100 至 10 ppm 的浓度范围内实现线性的颜色响应。不仅如此，气凝胶在不同温度和湿度下拥有颜色稳定性，并在多个循环中保持高可逆性。基于该气凝胶的智能标签被证明可在难以观测的肉类变质的临界点产生显著地颜色偏移（ΔE > 12），表明其在智能食品包装中的潜在应用前景。

图1. CPR气敏气凝胶的合成示意图。

图2. CNF、CR和CPR气凝胶的表征。

图3. CPR比色气凝胶氨气传感性能。

图4. CPR比色标签在肉类腐败监测中的应用。

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Pore-Refined Biobased Aerogel for Gas Sensitive Intelligent Colorimetric Tags

Xiaosen Pan, Wanlong Song, Huanyu Qian, Guohua Zhang, Ruiming Liu, Xiaojuan Wang*, Fengbao Chen*, Meng Gao*, and Zhengjian Zhang

ACS Materials Lett. 2024, 6, 10, 4775-4782

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c01868 

Published September 23, 2024

© 2024 American Chemical Society

作者简介

潘啸森，天津科技大学硕士毕业生（现西安交通大学）。主要研究兴趣为纤维基传感材料及其表界面调控，以第一作者（含共同）于ACS Mater. Lett., Chem. Eng. J., Langmuir等SCI期刊发表论文6篇，其中ESI前0.1%热点论文&前1%高被引论文1篇，申请国家发明专利2项。

高萌，博士，副教授，硕士生导师。研究方向包括生物质电子及柔性印刷电子。博士毕业于中国科学院化学研究，后在美国加州大学洛杉矶分校进行博士后研究。以第一/通讯作者在Matter, Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy等期刊上发表研究文章，研究成果被MIT Technology Review、Materials Views等国际媒体亮点报道。以第一申请人申请发明专利9项，授权专利4项。主持国家及省级科研项目6项。

王晓娟，天津科技大学博士研究生。主要研究方向为生物质柔性电子器件，以第一作者和通讯作者（含共同）于ACS Mater. Lett., Carbohydr. Polym., ACS Appl. Nano Mater., Cellulose等SCI期刊发表论文6篇，申请国家专利4项，主持省级项目2项，结题1项。

张正健，博士，教授，博士生导师。主要从事纤维素基功能材料、UV光固材料和纳米智能材料方面的研究。主持科研项自20场其中省部级项目6项、横向项目14项。发表科研论文40余篇，SCI收录10篇，申请国家发明专利20余项，其中授权5项，转让1项。

（本稿件来自ACS Publications）