曼彻斯特大学李翼团队《Nano Energy》: 碳化氧化 – 自支撑可水洗湿度传感器

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湿度传感器在传统环境监测、新兴的数字健康管理和非接触式人机交互中有巨大的应用潜力，一直是研究的热点领域。现有的湿度敏感材料在面对冷凝和/或液态水时缺乏器件的可靠性。为了解决以上问题，英国曼彻斯特大学李翼教授研究团队开发了一种在伪石墨材料表面可控地增加含氧基团来制备自支撑湿度传感器的方法。

图1介绍了氧化碳化织物（OCF）湿度传感器的制备流程。首先，把棉布在600°C碳化，再在浓硫酸/浓硝酸的混合溶液里氧化形成带有大量含氧官能团的石墨结构（图1a）。在接触到湿气时，电子可以在含氧官能团间跳动，因此器件的电阻会大大降低（图1b）。该器件可以广泛运用于环境检测（图1c）,智能健康，和非接触式人机交互（图1d）。

图1.湿度传感器的制备流程和应用潜力展示

图2对碳化织物（CF）和OCF进行了表征。图2a展示了氧化3小时之后，样品还保持原来的纺织品结构, 同时碳, 氮和氧元素均匀地分布在纤维表面（图2b）。随着氧化时间的增加，样品的力学性能（图2c）和导电性（图2d）都会降低。拉曼光谱展示了氧化时间的增加会导致结构的缺陷增多（图2e）。XPS分析证明了氧化过程中含氧基团（C=O，-COOH和-NO_x）会显著增加（图2f-h）。接触角测试从另一方面展示了氧化过程中纺织品表面含氧基团比例的增加（图2i，j）。

图2.材料的形貌、表面元素、导电性、光谱和亲水性等表征

图3对传感器进行了标定并讨论了传感机理。随着氧化程度的增加，器件对90%的湿度环境的响应会显著提高（图3a，b）。图3c-e展示了吸湿曲线，电阻-湿度响应曲线，和电阻-吸湿曲线。EMRI指数为吸湿的单位重量对应的电阻变化。另外，他们还发现器件的灵敏度和含氧基团的百分比有很高的线性关联（r²=97.39%）。图3g解释了吸湿机理。环境中的湿气会和纤维表面的含氧基团形成氢键，高湿度情况下，电子更容易在含氧基团间跳动，所以器件的电阻会大幅度的降低。图3h标定了氧化3小时器件在30%-96%湿度区间内吸湿-回复过程的电阻率变化。另外，氧化3小时器件具有和商用湿度传感器类似的响应速度（图3i），和优异的动态稳定性（图3j）。

图3.湿度传感器的传感性能和机理探讨

图4展现了氧化3小时器件的稳定性。图4a展现了器件在不同形变，如弯曲、扭曲、打结，时都能正常工作。图4b证明了不同弯曲程度对湿度感应的影响很小。而且，器件自身电阻对于弯曲程度和外部压力都不敏感（图4c，d）。更重要的是，该器件在润湿和机洗后都能正常使用（图4e-g），这一点突破了传统的湿度传感器。虽然器件在低温下响应较慢，但饱和湿度时的电阻变化率几乎没有区别（图4h）。

图4.湿度传感器的传感优越性和性能稳定性

图5展示了器件在环境湿度监测、健康检测和人机交互中的应用潜力。通过无人机，传感器成功监测到不同高度的大气湿度差异（图5a,b）。另外，传感器可以监测土壤湿度和环境湿度（图5c,d）。图5e-g演示了通过传感器监测呼吸频率，并用蓝牙传送到个人手机上，再利用深度学习网络对输入的数据进行识别和辨认。训练之后，对呼吸快慢的判断具有非常高的准确性（93.3%），未来可以用来判断使用者的健康状况（哮喘、昏迷等）。图5h,i展现了传感器在非接触式交互中的巨大应用潜力，通过定位手（指）和传感器间的距离，可以传递不同信号给机器。这种非接触式的传感可以防止病毒传播。

图5.湿度传感器在环境监测和可穿戴方面的应用潜力展示

相关内容以A free-standing humidity sensor with high sensing reliability for environmental and wearable detection为题发表在Nano Energy上。该论文的通讯作者是曼彻斯特大学李翼教授和刘泽堃博士；曼彻斯特大学博士易杨佩奇为论文第一作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107780

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