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交互中有巨大的應(yīng)用潛力，一直是研究的熱點領(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)李翼教授研究團隊開發(fā)了一種在偽石墨材料表面可控地增加含氧基團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的石墨結(jié)構(gòu)（圖1a）。在接觸到濕氣時，電子可以在含氧官能團間跳動，因此器件的電阻會大大降低（圖1b）。該器件可以廣泛運用于環(huán)境檢測（圖1c）,智能健康，和非接觸式人機交互（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對傳感器進行了標定并討論了傳感機理。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解釋了吸濕機理。環(huán)境中的濕氣會和纖維表面的含氧基團形成氫鍵，高濕度情況下，電子更容易在含氧基團間跳動，所以器件的電阻會大幅度的降低。圖3h標定了氧化3小時器件在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)異的動態(tài)穩(wěn)定性（圖3j）。
圖3.濕度傳感器的傳感性能和機理探討
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
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