华中科技大学刘逆霜《AFM》：基于电位湿度传导机制的自供电、非接触式湿度传感器！
众所周知，直接的人机接触可能导致人与人之间细菌/病毒的交叉感染。因此，逐步发展的非接触式信息交互方式已成为人机交互（HMI）的新趋势。其中，能够响应周围环境或人体皮肤表面湿度变化的湿度传感器避免了人机接触和细菌/病毒交叉感染。尽管湿度传感器的研发取得了很大进展，但尚未实现小型化、便携化、低功耗、规模化生产和低成本的要求。主要是由于制造工艺繁琐、结构复杂、需要外部供能设备、缺乏快速的湿度响应等挑战。此外，除了现有的传感机制（如电阻式、电容式和基于官能团梯度的器件），很少有人关注开发具有新颖特性的新型传感机制，以满足小型化和集成化的要求。因此，仍然迫切需要开发一种易于制造、低功耗和自供电的先进湿度传感器。
鉴于此，华中科技大学刘逆霜副教授提出了一种新的电位湿度转换机制，该机制通过对氧化石墨烯（GO）固体电解质的湿度刺激来调节两个电极之间的测量电位差。凭借这种机制，作者设计了高度可调的电位湿度传感器，该传感器具有还原氧化石墨烯/GO/泡沫金属（镍、锌、铁和铜）的夹层结构、良好的可扩展性和成本效益，可实现快速响应/恢复（0.8 s/2.4 s）、超高响应（0.77 V）、出色的稳定性（超过1500次循环）和优异的静态\动态湿度刺激监测能力，弥补了传统湿度传感机制在小型化和成本效益方面的不足。此外，制备的传感器还具有自供电能力，无需额外的动力单元，并且具有超低功耗。这项自供电和非接触式湿度传感器的研究为未来便携式小型化智能设备的研发提供了新思路。相关工作以“Self-Powered Graphene Oxide Humidity Sensor Based on Potentiometric Humidity Transduction Mechanism”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。
自供电传感器的设计
图1为具有rGO/GO/Ni fm结构的2D全固态湿度传感器的结构示意图。尺寸为1.0 cm 2和厚度为20 µm的GO在rGO/GO/泡沫金属体系中起到了固体电解质的作用。为了提高性能，在这项工作中对湿度传感器进行了优化，通过不同电极接触面积的器件的响应/恢复曲线结果证明了当电极有效接触面积为1.0 cm2时，传感器具有最大的输出电流密度。该传感器无需额外的电源设备并且在相对湿度（RH）达到90%时表现出0.24 µW的超低功耗。高度可调的电位湿度传感器具有良好的可扩展性和成本效益，可实现快速响应/恢复（0.8 s/2.4 s）、超高响应（0.77 V）。
图1湿度传感器设计
传导机制验证和理论计算
作者指出器件的工作机制是电位湿度转换机制，该机制可以通过潮湿刺激来调节两个电极之间测量的输出电压。为了验证这种机制，作者测量了具有多种电极材料的设备的输出电压和相同电极材料的湿度响应（图2）。结果表明，该系统具有出色的可扩展性，不受特定电极的限制并且可以轻松调节此类设备的特性。此外，作者还进行了大量的实验证实了传感器的工作所依赖的是电位湿度转换机制。为了进一步证实这种机制的可行性，作者又对有水吸附或没有水吸附的GO进行了密度泛函理论（DFT）。DFT计算充分表明GO对H 2O具有较大的吸附能（图3）。当GO吸水并充当固体电解质时，对H +的吸附能变小，因此H +可以在基板材料上良好迁移并实现良好的导电性。在基于电位湿度传导机制的rGO/GO/泡沫金属体系中，GO膜作为一种重要的固体电解质，保证了潮湿环境下两个电极之间输出电压的形成和调节，从而获得相应的湿度响应信号变化。
图2传感机制研究
图3理论计算
rGO/GO/Ni fm传感器的传感性能和应用
基于湿度电位转换机制，作者研究呈现三明治结构的rGO/GO/Nifm传感器传感性能（图4）。当湿度低于20%RH时，湿度传感器不会输出稳定的电压信号。在超过600 s的长时间湿度响应的情况下，其响应/恢复时间保持不变。结果表明该器件具有出色的长期湿度稳定性和长期静态响应行为。rGO/GO/Ni fm对湿度的响应/恢复曲线在1500次循环后仍然非常快速和稳定，表明其具有良好的动态循环稳定性和较长的使用寿命。得益于快速的湿度响应速度，rGO/GO/Ni fm适用湿度响应的非接触式应用（图5）。如监测水滴通过引起的湿度变化、志愿者运动前后呼吸引起的湿度变化、自供电能力以及对响应手指潮湿的响应等。结果表明，该湿度传感器不仅具有体积小、结构简单、成本低、易于集成等优点而且还可作为有效且可靠的非接触式检测方法。
图4传感器的传感性能
图5非接触式应用
小结：作者提出了一种新的湿度传感机制并设计了一种具有简单的rGO/GO/泡沫金属（镍、铁、锌和铜）夹层结构的传感器系统，该传感器具有湿度感应、高响应、快速响应/恢复和高稳定性行为。此外，作者从实验和理论上证明了电位湿度传导机制的可行性和优势。有趣的是，此类传感器的性能并不取决于特定的电极材料，而是与湿度传感层的两个电极之间的电位差有关，因此具有良好的可扩展性和通用性。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107330
来源：高分子科学前沿
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