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  濕度傳感器在傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測、新興的數(shù)字健康管理和非接觸式人機(jī)交互中有巨大的應(yīng)用潛力，一直是研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。現(xiàn)有的濕度敏感材料在面對冷凝和/或液態(tài)水時(shí)缺乏器件的可靠性。為了解決以上問題，英國曼徹斯特大學(xué)李翼教授研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種在偽石墨材料表面可控地增加含氧基團(tuán)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(tuán)的石墨結(jié)構(gòu)（圖1a）。在接觸到濕氣時(shí)，電子可以在含氧官能團(tuán)間跳動(dòng)，因此器件的電阻會大大降低（圖1b）。該器件可以廣泛運(yùn)用于環(huán)境檢測（圖1c）,智能健康，和非接觸式人機(jī)交互（圖1d）。

圖1.濕度傳感器的制備流程和應(yīng)用潛力展示

圖2.材料的形貌、表面元素、導(dǎo)電性、光譜和親水性等表征

  圖3對傳感器進(jìn)行了標(biāo)定并討論了傳感機(jī)理。隨著氧化程度的增加，器件對90%的濕度環(huán)境的響應(yīng)會顯著提高（圖3a，b）。圖3c-e展示了吸濕曲線，電阻-濕度響應(yīng)曲線，和電阻-吸濕曲線。EMRI指數(shù)為吸濕的單位重量對應(yīng)的電阻變化。另外，他們還發(fā)現(xiàn)器件的靈敏度和含氧基團(tuán)的百分比有很高的線性關(guān)聯(lián)（r²=97.39%）。圖3g解釋了吸濕機(jī)理。環(huán)境中的濕氣會和纖維表面的含氧基團(tuán)形成氫鍵，高濕度情況下，電子更容易在含氧基團(tuán)間跳動(dòng)，所以器件的電阻會大幅度的降低。圖3h標(biāo)定了氧化3小時(shí)器件在30%-96%濕度區(qū)間內(nèi)吸濕-回復(fù)過程的電阻率變化。另外，氧化3小時(shí)器件具有和商用濕度傳感器類似的響應(yīng)速度（圖3i），和優(yōu)異的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性（圖3j）。 

圖3.濕度傳感器的傳感性能和機(jī)理探討

圖4.濕度傳感器的傳感優(yōu)越性和性能穩(wěn)定性

圖5.濕度傳感器在環(huán)境監(jiān)測和可穿戴方面的應(yīng)用潛力展示

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107780