研究背景
水分子与目标气体分子对活性位点存在竞争吸附，这削弱了基于电子信号传输的传感材料的传感性能，包括灵敏度、选择性和稳定性，因此环境湿度对气体传感材料的实际应用构成了重大挑战。常见的增强湿态气体传感性能的策略，包括后修饰抗湿度涂层和物理加热抗湿，这些方法往往需要复杂的制备过程和高能耗。随着纳米流体技术的发展，重构嗅觉受体和构筑的人工离子纳米通道被用来模拟生物嗅觉系统。如电解质溶液中的圆锥形纳米通道可以接枝响应分子（铁卟啉和1-(4-氨基-苯基)-2,2,2-三氟乙酮），通过精细调控的跨膜离子传输来选择性识别一氧化碳或二氧化碳。然而，气体分子的缓慢扩散、易挥发性以及电解质溶液的流动性，能够弱化传感性能，并阻碍实际应用。
近年来，由有机阳离子和阴离子组成的离子液体，因其难挥发性、优异的热稳定性、高离子导电性、可定制的化学结构以及与聚合物基体的相容性，成为取代无机电解质的理想材料。离子液体的战略性引入有望推动气体传感材料的创新研究，同时实现高选择性、强稳定性和适宜的柔韧性。其中，通过离子液体与聚合物基体之间的多重相互作用，易于实现离子弹性体的制备，在化学传感领域获显示出巨大潜力。
研究内容
对于传统气体传感材料来说，水分子是无处不在的干扰物，通常会导致依赖电子信号传输材料传感性能下降，因此迫切需要研发具有抗湿度干扰特性的高效气体传感材料。近日，国家纳米科学中心唐岑、陈玉鹏和中科大苏州高等研究院朱忠鹏受锤头鲨启发，通过将离子液体引入到聚合物基质中，构建了一种基于纳米受限空间离子信号传输的微绒毛结构离子弹性体。优化的微绒毛结构离子弹性体的响应比平整离子弹性体高1.68倍，对30 ppm三乙胺（TEA）的响应时间短（9 s），具有优异的选择性和低LOD（104.56 ppb）。这种传感性能可作为概念验证，将纳米受限空间溶剂化离子传输与微绒毛结构设计有效结合，以开发先进传感系统。在70%的相对湿度下可实现明显响应（23.52%）、相似的响应时间（12 s）、低LOD（498.05 ppb）和长期稳定性（至少30天）。机理研究表明，在依次经过水和TEA包围后，促进溶剂化离子传输，而微绒毛结构显著增强了气体运输。此外，通过在湿态环境下虾的腐监测验证了该传感系统的实用性。该研究以“Hammerhead Shark-Inspired Microvillus-Structured Ionic Elastomers for Wet Gas Sensing Based on Solvated Ion Transport”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。
图文导读
图1 微绒毛结构离子弹性体的构筑。a）微绒毛结构离子弹性体的SEM图像。b）TPU/[BMIM][TFSI]、TPU和[BMIM][TFSI]的FT-IR光谱。c）微绒毛结构离子弹性体中纳米限域离子示意图。图2 微绒毛结构离子弹性体的气体传感性能。a）微绒毛长度分别为0.5、1、2、5、20 μm的离子弹性体SEM图像。b）对30 ppm TEA的响应度∆I/I0与微绒毛长度的关系。c）微绒毛结构离子弹性体对30 ppm TEA的动态响应曲线。d）响应度与TEA浓度的线性拟合曲线，方程式为y = 1.810x + 2.804，其中x和y分别表示TEA浓度和响应度，R2 = 0.998表示具有较好的线性关系。e）微绒毛结构离子弹性体对30 ppm TEA的响应/恢复时间。f）微绒毛结构离子弹性体对不同气体的响应。g）平整离子弹性体和微绒毛结构离子弹性体对30 ppm TEA的响应对比。图3 气体传感机理。a）微绒毛结构离子弹性体在暴露于TEA前后的FT-IR光谱。b）微绒毛结构离子弹性体在暴露于TEA前后的拉曼光谱。c）微绒毛结构离子弹性体的传感机理示意图。由于TEA的强供电子能力以及与阴离子上的氧形成氢键的能力，[BMIM]+阳离子和[TFSI]-阴离子被TEA包围，从而在纳米限域空间形成溶剂化离子。阴阳离子之间的相互作用减弱，导致粘度降低，离子扩散率增加，从而增强离子电导率。d）暴露于TEA时阴阳离子移动的分子动力学（MD）模拟。e）暴露于30 ppm TEA前后微绒毛结构离子弹性体的离子电导率。f）暴露于TEA前后[BMIM]+和[TFSI]−的扩散系数（D）。图4 微绒毛结构离子弹性体的湿态气体传感性能。a）70% RH时响应度与TEA浓度的线性拟合曲线。方程式为y = 0.667x + 3.526，其中x和y分别表示TEA浓度和响应度，R2 = 0.992表示具有较好的线性关系。b）70% RH时，微绒毛结构离子弹性体对30 ppm TEA的响应/恢复时间。c）微绒毛结构离子弹性体的湿态气体传感机理示意图。部分水分子渗透到TPU基体中，包围[BMIM]+阳离子和[TFSI]-阴离子，形成部分溶剂化离子。这导致粘度降低，离子电导率增高。这些部分溶剂化离子可以与后续引入的TEA发生相互作用，导致电导率进一步升高。d）在70% RH下，暴露于TEA时阴阳离子移动的MD模拟。e）微绒毛结构离子弹性体对室温下虾类释放气体的动态响应曲线。f）微绒毛结构离子弹性体的响应度随着虾腐烂时间的延长而增加。本工作受锤头鲨启发，通过在TPU的纳米限域空间内引入[BMIM][TFSI]，构筑微绒毛结构离子弹性体，实现高效的湿态气体传感。微绒毛结构的优化促进形成充足的气体传输通道，并提供与TEA相互作用的有效活性位点。结构化离子弹性体对30 ppm TEA具有短的响应时间（9 s）、低检测限（104.56 ppb），在70% RH时，有明显的响应（23.52%）、短响应时间（12 s）、低的检测限（498.05 ppb）和良好的长期稳定性（至少30天）。TEA和水的包围诱导纳米受限空间中溶剂化离子的产生，导致了粘度的降低和离子扩散性的增加，从而增强离子导电性，实现高效TEA传感。这一独特的溶剂化离子传输机制得到了实验和模拟结果的证实。微绒毛结构增强的气体传输和疏水性进一步促进了传感性能的提升。此外，还展示了该传感系统在湿态环境下评估海鲜新鲜度的实际应用。利用表面结构工程和纳米限域空间溶剂化离子传输，有望构筑一系列适用于特定任务的湿态气体传感离子弹性体，以进一步拓展其应用范围。
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202418630声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
