濕度傳感器在傳統環境監測、新興的數字健康管理和非接觸式人機交互中有巨大的應用潛力,一直是研究的熱點領域。現有的濕度敏感材料在面對冷凝和/或液態水時缺乏器件的可靠性。為了解決以上問題,英國曼徹斯特大學李翼教授研究團隊開發了一種在偽石墨材料表面可控地增加含氧基團來制備自支撐濕度傳感器的方法。
圖1介紹了氧化碳化織物(OCF)濕度傳感器的制備流程。首先,把棉布在600°C碳化,再在濃硫酸/濃硝酸的混合溶液里氧化形成帶有大量含氧官能團的石墨結構(圖1a)。在接觸到濕氣時,電子可以在含氧官能團間跳動,因此器件的電阻會大大降低(圖1b)。該器件可以廣泛運用于環境檢測(圖1c),智能健康,和非接觸式人機交互(圖1d)。
圖1.濕度傳感器的制備流程和應用潛力展示
圖2.材料的形貌、表面元素、導電性、光譜和親水性等表征
圖3對傳感器進行了標定并討論了傳感機理。隨著氧化程度的增加,器件對90%的濕度環境的響應會顯著提高(圖3a,b)。圖3c-e展示了吸濕曲線,電阻-濕度響應曲線,和電阻-吸濕曲線。EMRI指數為吸濕的單位重量對應的電阻變化。另外,他們還發現器件的靈敏度和含氧基團的百分比有很高的線性關聯(r2=97.39%)。圖3g解釋了吸濕機理。環境中的濕氣會和纖維表面的含氧基團形成氫鍵,高濕度情況下,電子更容易在含氧基團間跳動,所以器件的電阻會大幅度的降低。圖3h標定了氧化3小時器件在30%-96%濕度區間內吸濕-回復過程的電阻率變化。另外,氧化3小時器件具有和商用濕度傳感器類似的響應速度(圖3i),和優異的動態穩定性(圖3j)。
圖3.濕度傳感器的傳感性能和機理探討
圖4.濕度傳感器的傳感優越性和性能穩定性
圖5.濕度傳感器在環境監測和可穿戴方面的應用潛力展示
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107780
- 華南農大胡傳雙教授、林秀儀副教授、徐江濤副教授 Adv. Sci.:雙網絡離子水凝膠實現可穿戴電子器件電磁屏蔽與自供電傳感一體化 2025-07-03
- 華南理工江賽華教授課題組 CEJ:基于3D打印技術構建的可穿戴柔性觸覺摩擦電傳感器在材料感知領域的應用 2025-05-29
- 深圳技術大學史濟東等 Carbon:基于石墨烯-納米纖維素復合薄膜的自修復應變/濕度雙模傳感器的設計及在可穿戴呼吸監測的應用 2025-05-28
- 華科大劉逆霜/高義華教授團隊 AM:基于近平行離子路徑誘導高效水-電轉換的超小型纖維濕度傳感器 2024-11-27
- 中山大學吳進課題組 Nano-Micro Lett.:用于無線呼吸檢測的可拉伸透明水凝膠薄膜基濕度傳感器 2022-10-19
- 清華大學張瑩瑩團隊《Nat. Commun.》:用于人體健康管理的自供能化學電濕度傳感器 2022-09-18
- 北卡州立大學印榮教授團隊 Nano Energy:高柔性、耐用、可水洗的摩擦電紗線及刺繡用于自供電傳感器和人機交互 2022-11-12