重大何邕团队ACS Appl. Nano Mater.：基于三元纳米复合材料的湿度传感器-人体呼吸检测和水果打蜡评估

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对相对湿度（RH）的实时准确检测在工业、农业和医疗等诸多领域中十分重要。然而，能够同时对高湿度变化和低湿度变化具有高响应能力的湿度传感器仍然具有挑战性。近期，重庆大学何邕教授团队提出一种通过原位氧化和热聚合方式合成g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x三元纳米复合材料的方法。由于三种单体材料的协同作用，该三元纳米复合材料显示出增强的湿度传感性能。利用其优异的湿度传感特性，制备的g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x湿度传感器进一步用于人体呼吸检测和水果打蜡评估这两种对应于高湿度变化和低湿度变化的实际应用场景。该研究通过单一传感器件实现对不同湿度变化量的准确探测，有望为探索多应用场景可用的高性能湿度传感器提供新思路。相关工作以“Humidity Sensing by Graphitic Carbon Nitride Nanosheet/TiO₂ Nanoparticle/Ti₃C₂T_x Nanosheet Composites for Monitoring Respiration and Evaluating the Waxing of Fruits”为题，发表在《ACS Applied Nano Materials》。重庆大学光电工程学院博士研究生郭学政为论文第一作者。此研究得到国家自然科学基金等资助支持。

图1 g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x纳米复合材料的制备和结构表征。 (a-d) 合成的Ti₃C₂T_x、TiO₂/Ti₃C₂T_x、g-C₃N₄以及g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x的SEM图像。(e-f) g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x的TEM图像和相应的 EDS mapping。(g)合成材料的XRD谱图。

通过材料表征手段确认成功合成g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x三元纳米复合材料。

图2 湿度传感性能对比。(a-d) g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x、g-C₃N₄、TiO₂以及TiO₂/Ti₃C₂T_x传感器随湿度变化的阻抗图。基于阻抗变化总结的四种传感器的 (e) 响应度与 (f) 响应时间。

通过对比g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x、g-C₃N₄、TiO₂以及TiO₂/Ti₃C₂T_x四种传感器随湿度变化的阻抗图，g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x传感器对95% RH的响应度分别增强了11, 4以及450倍，并且g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x传感器还具有最快的湿度响应速度。

图3 g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x湿度传感特性探究。(a) 对33%、67%与85% RH三种湿度水平的传感重复性。(b) 对11-95% RH的阻抗拟合。(c) 湿度传感滞回特性探究。

g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x湿度传感器具有良好的重复性，优异的线性阻抗关系和极低的滞回特性。

图4 人体呼吸检测与水果打蜡评估。(a-b) 人体呼吸检测与水果打蜡评估实验实物展示。(c-d) 相应的传感特性曲线。

通过比较阻抗值以及响应度的变化，g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x传感器成功实现了人体呼吸检测与水果打蜡评估这两种分别对医疗和农业领域具有高价值的实际应用。

图5 湿度传感机理探究。(a) g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x传感器在11-95% RH条件下的复阻抗谱图。(b-d) 对应的等效电路图。(e) 在干燥条件与 (f) 湿度条件下的能带图。

通过对复阻抗谱以及能带进行分析，探讨了g-C₃N₄/TiO₂/Ti₃C₂T_x传感器在不同湿度条件下的作用机理。

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https://doi.org/10.1021/acsanm.1c02625

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