导读

聚电解质湿敏材料用于湿度传感器制备有诸多优点，但存在高湿环境稳定性差、响应/恢复速度慢等问题，限制了其实际应用。浙江大学高分子系李扬团队在 Nanomaterials 期刊发表的文章，以交联海藻酸钠 (c-SA) 与MXene复合物作湿敏材料，制备出有快响应和耐高湿性能的柔性湿度传感器 (FHS)。

c-SA/MXene1-30在40 ℃的高湿环境中放置24小时，其湿敏性能仍保持稳定。同时其具有响应快、灵敏度高和重复性好等优点，成功实现非接触式呼吸监测、语音识别和手指距离检测，这项工作为开发高性能FHS提供了一种有效的解决方案。

研究过程与结果

浙江大学高分子系李扬团队制备了基于交联SA和MXene纳米复合材料的耐高湿、快响应FHS。该工作以聚酰亚胺 (PI) 薄膜为柔性基底，通过激光直写 (LDW) 方法将PI转换为多孔石墨烯，构筑叉指电极 (IDE)。在PI基底表面负载SA/MXene湿敏膜，并浸泡CaCl₂溶液以交联SA，实现了在高湿环境下良好的稳定性。

由Ti₃AlC₂刻蚀制备的MXene，其大比表面积提供活性位点，有利于水分子吸附和脱附 (图1a-b)。SA相对光滑，随MXene浓度增加，复合材料表面粗糙 (图1c-d)。交联对复合薄膜的形态影响不大，未破坏湿敏膜结构 (图1f-g)。LDW将PI转化为多孔导电石墨烯 (图1h-i)，可用于制备柔性电极。

图1. 样品的SEM图像：(a) Ti₃AlC₂；(b) MXene；(c) SA；(d) SA/MXene0.5；(e) SA/MXene1；(f) SA/MXene2；(g) c-SA/MXene1-30；(h) 低倍和 (i) 高倍下的IDE。

在10-90% RH范围内，SA传感器在低湿下呈现较高阻抗，相比之下，SA/MXene FHS阻抗全面下降且灵敏度提高，这归因于MXene的高导电性和高比表面积。MXene为1 mg/mL时灵敏度最高，为最佳条件 (图2a)。

同时，延长CaCl₂交联时间可减小传感器湿滞 (图2a-c)，但灵敏度相应降低。在优选条件下，c-SA/MXene1-30 FHS在11-98% RH内呈现两个数量级的阻抗变化，且线性度良好 (半对数坐标下，R² = 0.992，图2d)，响应/恢复时间为4±0.9 s/11±1.1 s (图2f)，这可能由于MXene的高比表面积和交联结构加速水分子的解吸。以未改性疏水PI为基底的传感器在10-90% RH范围内都显示出非常高的阻抗，且变化小，说明对PI基底亲水处理对制造高性能FHS十分重要 (图2e)。

图2. (a) MXene浓度；(b) 交联时间对FHS湿敏曲线的影响；(c) 不同交联时间的FHS的湿滞；(d) c-SA/MXene1-30 FHS的湿敏曲线；(e) 基于未亲水处理PI基底的c-SA/MXene1-30 FHS的湿敏曲线；(f) c-SA/MXene1-30 FHS的响应和恢复时间。

c-SA/MXene1-30 FHS置于98% RH下超过9小时，传感性能未改变 (图3a)，其在40 ℃的高湿环境下放置24小时，湿敏响应曲线变化不大 (图3b)，体现出对潮湿环境的良好耐受性。同时，c-SA/MXene1-30 FHS对有机蒸汽 (甲醇、乙醇、乙醚、丙酮和正己烷) 响应很小 (图3c)，显示出优异的气体选择性。传感器在高湿和低湿环境中快速切换120个循环，响应曲线形状保持一致，具有良好的传感重复性和稳定性 (图3d)。

图3. (a) c-SA/MXene1-30 FHS置于98% RH下的实时响应；(b) c-SA/MXene1-30 FHS在98% RH下放置24小时前后的湿敏曲线；(c) c-SA/MXene1-30 FHS暴露于500 ppm不同蒸汽时的响应：乙醇、乙醚、甲醇、丙酮、正己烷；(d) c-SA/MXene1-30 FHS在高低湿环境之间循环切换时的响应曲线。

人体呼出的空气和指尖挥发的水分都会改变周围微环境的湿度。基于这一现象，c-SA/MXene1-30 FHS可检测人体呼吸，通过呼吸曲线的频率和振幅辨别不同呼吸模式 (图4a)。c-SA/MXene1-30 FHS根据湿度变化可以区分不同音节的单词 (图4b)，且对指尖距离的变化表现出灵敏、可逆和可重复的响应 (图4c)。研究表明该传感器具有呼吸监测，语音识别和非接触式人机交互的应用潜力。

图4. c-SA/MXene1-30 FHS的应用：呼吸状态监测：(a) 慢速；(b) 正常速度；(c) 快速；(d) 语音识别；(e) 传感器与指尖距离变化的实时阻抗响应。

研究总结

本工作通过在亲水处理PI基底沉积交联SA和MXene纳米复合物，简便制备柔性湿度传感器，其具备快速响应与高湿耐受性。传感器灵敏度高 (10%-90% RH阻抗变化达两个数量级)，重复性良好，在呼吸监测、语音识别和非接触式人机交互领域体现应用潜力。本研究为制备高性能且耐高湿、响应快的柔性湿度传感器，以满足可穿戴电子产品实际应用需求，提供了新途径。

原文出自 Nanomaterials 期刊：https://www.mdpi.com/2079-4991/14/21/1694

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials

Nanomaterials 期刊介绍

主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

2023 Impact Factor：4.4

2023 CiteScore：8.5

Time to First Decision：14.1 Days

Acceptance to Publication：1.9 Days