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  柔性電子濕度傳感器由于其在可穿戴電子設(shè)備、智能織物，電子皮膚以及軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，吸引了研究者們的廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的聚合物基濕度傳感器面臨難以生物降解或高濕度條件下耐久性差等問題。纖維素由于其優(yōu)異的親水性、化學(xué)穩(wěn)定性、可生物降解及來源豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，被認(rèn)為是制備濕度傳感器的理想材料。近年來，研究者們通過包覆、共混、涂布等手段將導(dǎo)電碳納米材料與纖維素基質(zhì)復(fù)合設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的纖維素基濕度傳感器。然而，這些新型傳感器也面臨制備過程復(fù)雜、靈敏度低等問題�；诖耍疚耐ㄟ^結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提出了利用呈負(fù)電性的TEMPO氧化纖維（TOCFs）與呈正電性的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）分散的碳納米管（CNTs）之間的靜電相互作用，快速制備高靈敏度、寬響應(yīng)范圍、優(yōu)異線性度、耐彎曲以及長(zhǎng)期穩(wěn)定的柔性紙基濕度傳感器的新策略。

  近日，來自華南理工大學(xué)的陳港教授與不列顛哥倫比亞大學(xué)的Feng Jiang教授等，在國(guó)際知名期刊Chemical Engineering Journal（影響因子：10.652）上發(fā)表題為“Electrostatic self-assembly enabled flexible paper-based humidity sensor with high sensitivity and superior durability”的文章。本文利用呈負(fù)電性的TEMPO氧化纖維（TOCFs）與呈正電性的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）分散的碳納米管（CNTs）之間的靜電相互作用，設(shè)計(jì)了一種具有高靈敏度、寬響應(yīng)范圍、優(yōu)異線性度、耐彎曲以及長(zhǎng)期穩(wěn)定的柔性紙基濕度傳感器，適用于人體呼吸監(jiān)測(cè)、空氣濕度監(jiān)測(cè)及非接觸式開關(guān)等領(lǐng)域。

圖1. TOCFs/CNTs紙基濕度傳感器的設(shè)計(jì)原理圖。

要點(diǎn)：獨(dú)特的TOCFs/CNTs吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，賦予紙基傳感器高靈敏度、優(yōu)異的機(jī)械耐久性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性

  該研究首先利用TEMPO氧化處理在纖維表面引入負(fù)電荷；其次，利用陽(yáng)離子型表面活性劑CTAB分散CNTs，賦予CNTs正電荷�；谡�(fù)電荷之間的靜電相互作用，納米級(jí)CNTs均勻地吸附至TOCFs表面，制備得到CNTs修飾的導(dǎo)電TOCFs。在此基礎(chǔ)上，通過簡(jiǎn)單的真空抽濾快速制備得到TOCFs/CNTs紙基濕度傳感器。由于TOCFs表面存在的大量親水性羥基，傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的水蒸氣吸附性能，促進(jìn)了水分子的電子向CNTs轉(zhuǎn)移；此外，由于CNTs吸附于TOCFs的表面，充分發(fā)揮了TOCFs在濕度環(huán)境中的潤(rùn)脹特性對(duì)CNTs導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞作用，進(jìn)一步放大了傳感器濕敏信號(hào)的變化幅度�；谏鲜鯰OCFs/CNTs獨(dú)特的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，紙基傳感器展現(xiàn)出高靈敏度（87.0％，響應(yīng)極限為100％）、寬響應(yīng)范圍（11%-95% RH）、優(yōu)異的線性度（R² = 0.995）、良好的彎曲（曲率達(dá)2.1 cm^-1）和折疊（超過50次）耐久性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性（大于3個(gè)月）。

圖2. TOCFs吸附CNTs前后和TOCFs/CNTs紙基濕度傳感器的形貌表征。

圖3. TOCFs/CNTs紙基濕度傳感器的拉曼光譜和紅外光譜表征。

圖4. TOCFs/CNTs紙基濕度傳感器的濕敏性能表征。

圖5. TOCFs/CNTs紙基濕度傳感器的濕敏機(jī)理。

圖6. TOCFs/CNTs紙基濕度傳感器的應(yīng)用示例展示。

  本文報(bào)道了一種基于TOCFs/CNTs導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的高靈敏度、寬響應(yīng)范圍、優(yōu)異線性度、耐彎曲以及長(zhǎng)期穩(wěn)定的柔性紙基濕度傳感器。其中CTAB分散的CNTs呈正電性并通過靜電相互作用吸附至帶負(fù)電荷的TOCFs表面。由于TOCFs優(yōu)異的親水性和在濕度環(huán)境中的潤(rùn)脹特性，TOCFs/CNTs紙基傳感器在95％ RH條件下靈敏度高達(dá)87.0％（ΔI/I0，響應(yīng)極限為100％）。此外，傳感器也表現(xiàn)出優(yōu)異的線性度（R² = 0.995）、良好的彎曲（曲率達(dá)2.1 cm^-1）和折疊（超過50次）耐久性以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性（大于3個(gè)月），所制備TOCFs/CNTs紙基傳感器在人體呼吸監(jiān)測(cè)、空氣濕度監(jiān)測(cè)及非接觸式開關(guān)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

  本文第一作者是華南理工大學(xué)和不列顛哥倫比亞大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生朱朋輝，通訊作者為華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳港教授和不列顛哥倫比亞大學(xué)Sustainable Functional Biomaterials Lab的Feng Jiang教授，華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一通訊單位。

  原文鏈接：

  Zhu, P., Kuang, Y., Wei, Y., Li, F., Ou, H., Jiang, F., & Chen, G. (2020). Electrostatic Self-assembly Enabled Flexible Paper-based Humidity Sensor with High Sensitivity and Superior Durability. Chemical Engineering Journal, 127105.

  DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127105

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720332320

【通訊作者簡(jiǎn)介】

  陳港，博士，教授，博士生導(dǎo)師

  現(xiàn)任華南理工大學(xué)特種紙研究團(tuán)隊(duì)首席教授，特種紙技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)負(fù)責(zé)人，國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，中國(guó)造紙學(xué)會(huì)理事，中國(guó)造紙學(xué)會(huì)涂布加工紙專業(yè)委員會(huì)副主任，中國(guó)造紙學(xué)會(huì)納米纖維素及材料專業(yè)委員會(huì)委員，廣東省特種紙與紙基功能材料工程技術(shù)研究中心主任，廣東省造紙學(xué)會(huì)常務(wù)副理事長(zhǎng)，廣東造紙行業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)。擔(dān)任《中國(guó)造紙》、《中國(guó)造紙學(xué)報(bào)》編委以及多家行業(yè)龍頭企業(yè)技術(shù)顧問。

  陳港教授主要研究領(lǐng)域?yàn)樵旒埿录夹g(shù)與特種紙，包括特種紙新技術(shù)、紙基功能材料、紙張涂布技術(shù)與理論、多種纖維混合成型機(jī)理、納米纖維素制備及應(yīng)用、造紙化學(xué)品的優(yōu)化及應(yīng)用、紙張防偽技術(shù)、功能材料在造紙過程的應(yīng)用等，先后主持和參加國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家工信部重點(diǎn)行業(yè)綠色制造系統(tǒng)集成項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“973”計(jì)劃、省自然科學(xué)基金、省高新技術(shù)成果孵化項(xiàng)目、粵港重點(diǎn)領(lǐng)域重大突破招標(biāo)項(xiàng)目等。

  近年在AFM、NANO LETTERS、JMCA、CEJ、ACS AMI、ACS SCE、APPL SURF SCI、EML、J MATER SCI、CELLULOSE、LANGMUIR等著名刊物發(fā)表研究論文多篇。編寫專著2本，擁有28項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利。

  Feng Jiang, PhD, Assistant Professor

  Dr. Feng Jiang is an Assistant Professor in the Department of Wood Science at the University of British Columbia, and also a Tier II Canada Research Chair in Sustainable Functional Biomaterials. He is Editorial Board member of Carbohydrate Polymers. His research area focuses on developing advanced materials from bio-based materials, and his research interest includes isolation and functionalization of bio-based nanomaterials, assembly of bio-based nanomaterials into fibers, films, aerogel, and hydrogels, additive manufacturing, thermal management, as well as applications in energy storage and environmental remediation.

  He has published over 65 journal articles in high-impact journals, including Nature Materials, Science Advances, Joule, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte Chemie, ACS Nano, Energy Storage Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Engineering Journal, Nanoscale Horizons, Chemistry of Materials, and ACS Applied Materials & Interfaces. He has authored several invited book chapters and been invited to deliver over 20 presentations at international conferences and universities.