湿度传感 | CARBOHYD POLYM | 受珍珠层启发的纳米纤维素/MXene柔性复合膜用于湿度传感

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研究速览

■ 近日，华南理工大学沈文浩教授课题组，在国际知名期刊Carbohydrate Polymers上发表题为“Nacre-inspired cellulose nanofiber/MXene flexible composite film with mechanical robustness for humidity sensing”的研究论文。该论文利用纳米纤维素（TOCNF）/MXene复合膜受湿度影响可改变MXene层间距的特性，制备了纳米纤维素基柔性湿度传感器，并对其在可穿戴设备领域的呼吸监测以及非接触湿度传感应用开展了研究。

▉  研究摘要  ▉

■ 作为一种检测工具，湿度传感器可以实时传达生活空间的舒适度。面对新冠肺炎疫情的肆虐，人们的生命和健康受到严重威胁。因此，用于健康、疾病监测和相关方面的可穿戴电子设备越来越受到重视。传统的基于半导体的湿度传感器由于其刚性和昂贵的集成工艺，不易于集成到柔性可穿戴设备和电子皮肤中。2D 的MXene纳米片具有大的比表面积，同时水分子引起的MXene片层之间通道的膨胀/收缩使其适合于监测湿度。然而，纯MXene薄膜通常表现出相对较差的机械性能，赋予MXene膜优异的机械性能而保留其固有的柔性和亲水性是一个有趣但具有挑战性的问题。在“碳中和”和“碳达峰”的国家战略背景下，从木材中所提取的纳米纤维素因其具有生物相容性、自然降解性、优异的亲水性和机械强度而越来越受到关注。特别是，TOCNF可以作为粘合剂连接相邻的MXene纳米片以形成致密的层状结构，进而提升TOCNF/MXene复合膜的力学强度。考虑到这一点，纳米纤维素特别适合于作为研发环境友好的湿度传感器的潜在柔性基质。

■ 鉴于此，华南理工大学沈文浩教授课题组从仿生策略出发，受珍珠层“砖和砂浆”纳米结构的启发，通过真空辅助过滤自组装策略制备了柔性的TOCNF/MXene湿度传感器。MXene和TOCNF分别充当“砖骨架”和粘合剂“砂浆”。其中，TOCNF优异的亲水性在湿度传感和改善纯MXene膜的机械性能方面发挥了重要作用。本研究对TOCNF/MXene复合膜的结构、形态、力学性能、湿敏性能和敏感机理进行了全面的研究。作为概念佐证，制备了TOCNF/MXene湿度传感器，用于探索监测人体呼吸、指尖和皮肤湿度的可行性，显示了其在新兴智能柔性器件中的巨大应用潜力。

■ 研究要点1

本工作利用真空抽滤制备TOCNF插层的MXene薄膜，与MXene疏松的层状结构相比，TOCNF与MXene的复合表现出更致密、更有序的层状结构。如图1中k和l所示，复合膜在不同位置的放大截面形貌显示出珍珠层的“砖-砂浆”结构，其中TOCNF作为粘合剂连接相邻的MXene纳米片。同时，MXene“砖”和TOCNF“砂浆”的协同效应赋予复合膜优异的柔韧性和拉伸强度，这归因于TOCNF和MXene之间相互连接形成的三维网络和多重氢键相互作用的结果。

图1. TOCNF/MXene复合膜的SEM形貌表征

图2. TOCNF/MXene复合膜的结构表征及机械性能

■ 研究要点2

为了评估TOCNF/MXene复合膜传感器的湿度传感性能，采用电化学工作站记录传感器在不同湿度值下的响应曲线，该传感器表现出优越的综合传感性能。同时对其湿敏机理进行了分析，在潮湿环境下，吸附的水分子在TOCNF/MXene复合膜表面形成水膜，水膜在外电场作用下产生的氢离子（H3O+）可以作为导电载体，提高了复合膜的导电性。然而，吸附的水分子渗透到复合膜中并诱导TOCNF的溶胀行为，扩大了层间距并减少了MXene纳米片层间的有效接触，使得复合膜电阻增加。也就是说，TOCNF的溶胀效应和H3O+电导效应之间存在平衡，研究结果表明，TOCNF/MXene复合膜的电阻随着湿度的增加而增加。因此可以得出结论，在溶胀效应和H3O+电导效应之间的权衡作用下，TOCNF/MXene的湿度传感由层间溶胀效应主导。

图3. TOCNF/MXene复合膜传感器的湿敏性能

图4. TOCNF/MXene复合膜传感器的湿敏机理

■ 研究要点3

为了探索所制备的TOCNF/MXene湿度传感器在柔性可穿戴设备中的应用，将该传感器用来动态监测人体呼吸和皮肤湿度，同时非接触式湿度传感的应用可行性也被验证。

图5. TOCNF/MXene复合膜传感器用于监测人体呼吸、指尖湿度和皮肤湿度的概念验证

▉  研究总结  ▉

■ 受天然珍珠层状结构的启发，研究者采用简单的过滤自组装策略制备了TOCNF/MXene复合膜湿度传感器，同时该复合膜具有出色的拉伸强度和柔韧性。此外，TOCNF不仅提供了丰富的吸附位点用于捕获水分子，还促进了吸附的水分子到MXene纳米片的电子转移。在潮湿环境下，TOCNF的吸湿膨胀也进一步扩大了电信号变化。因此，所制备的TOCNF/MXene复合膜表现出优越的综合湿敏传感性能，可以动态监测人体呼吸、皮肤湿度以及模拟非接触式湿度感应。这项工作为柔性湿度传感器的设计和研发提供了新的视角。

■ 文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120109