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华南理工大学陈港教授/不列颠哥伦比亚大学Feng Jiang教授CEJ:灵敏度达87.0%,折叠次数超50次的柔性纸基湿度传感器

发布时间:2020-10-29 访问次数:415

【文章信息】

  灵敏度达87.0% ,折叠次数超50次,环境稳定的柔性纸基湿度传感器

  第一作者:朱朋辉

  通讯作者:陈港*,Feng Jiang*

  单位:华南理工大学,不列颠哥伦比亚大学

【研究背景】

  柔性电子湿度传感器由于其在可穿戴电子设备、智能织物,电子皮肤以及软体机器人等领域的巨大应用潜力,吸引了研究者们的广泛关注。然而,传统的聚合物基湿度传感器面临难以生物降解或高湿度条件下耐久性差等问题。纤维素由于其优异的亲水性、化学稳定性、可生物降解及来源丰富、价格低廉等特点,被认为是制备湿度传感器的理想材料。近年来,研究者们通过包覆、共混、涂布等手段将导电碳纳米材料与纤维素基质复合设计了不同结构的纤维素基湿度传感器。然而,这些新型传感器也面临制备过程复杂、灵敏度低等问题。基于此,本文通过结构设计优化,提出了利用呈负电性的TEMPO氧化纤维(TOCFs)与呈正电性的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)分散的碳纳米管(CNTs)之间的静电相互作用,快速制备高灵敏度、宽响应范围、优异线性度、耐弯曲以及长期稳定的柔性纸基湿度传感器的新策略。

【文章简介】

  近日,来自华南理工大学的陈港教授与不列颠哥伦比亚大学的Feng Jiang教授等,在国际知名期刊Chemical Engineering Journal(影响因子:10.652)上发表题为“Electrostatic self-assembly enabled flexible paper-based humidity sensor with high sensitivity and superior durability”的文章。本文利用呈负电性的TEMPO氧化纤维(TOCFs)与呈正电性的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)分散的碳纳米管(CNTs)之间的静电相互作用,设计了一种具有高灵敏度、宽响应范围、优异线性度、耐弯曲以及长期稳定的柔性纸基湿度传感器,适用于人体呼吸监测、空气湿度监测及非接触式开关等领域。

 

图1. TOCFs/CNTs纸基湿度传感器的设计原理图。

【本文要点】

  要点:独特的TOCFs/CNTs吸附结构设计,赋予纸基传感器高灵敏度、优异的机械耐久性和长期稳定性

  该研究首先利用TEMPO氧化处理在纤维表面引入负电荷;其次,利用阳离子型表面活性剂CTAB分散CNTs,赋予CNTs正电荷。基于正负电荷之间的静电相互作用,纳米级CNTs均匀地吸附至TOCFs表面,制备得到CNTs修饰的导电TOCFs。在此基础上,通过简单的真空抽滤快速制备得到TOCFs/CNTs纸基湿度传感器。由于TOCFs表面存在的大量亲水性羟基,传感器展现出优异的水蒸气吸附性能,促进了水分子的电子向CNTs转移;此外,由于CNTs吸附于TOCFs的表面,充分发挥了TOCFs在湿度环境中的润胀特性对CNTs导电网络的破坏作用,进一步放大了传感器湿敏信号的变化幅度。基于上述TOCFs/CNTs独特的导电网络设计,纸基传感器展现出高灵敏度(87.0%,响应极限为100%)、宽响应范围(11%-95% RH)、优异的线性度(R2 = 0.995)、良好的弯曲(曲率达2.1 cm-1)和折叠(超过50次)耐久性和长期稳定性(大于3个月)。

 

图2. TOCFs吸附CNTs前后和TOCFs/CNTs纸基湿度传感器的形貌表征。


 

图3. TOCFs/CNTs纸基湿度传感器的拉曼光谱和红外光谱表征。

 

图4. TOCFs/CNTs纸基湿度传感器的湿敏性能表征。

 

图5. TOCFs/CNTs纸基湿度传感器的湿敏机理。

 

图6. TOCFs/CNTs纸基湿度传感器的应用示例展示。

【小结】

  本文报道了一种基于TOCFs/CNTs导电网络的高灵敏度、宽响应范围、优异线性度、耐弯曲以及长期稳定的柔性纸基湿度传感器。其中CTAB分散的CNTs呈正电性并通过静电相互作用吸附至带负电荷的TOCFs表面。由于TOCFs优异的亲水性和在湿度环境中的润胀特性,TOCFs/CNTs纸基传感器在95% RH条件下灵敏度高达87.0%(ΔI/I0,响应极限为100%)。此外,传感器也表现出优异的线性度(R2 = 0.995)、良好的弯曲(曲率达2.1 cm-1)和折叠(超过50次)耐久性以及长期稳定性(大于3个月)。TOCFs/CNTs纸基传感器在人体呼吸监测、空气湿度监测及非接触式开关等领域具有广阔的应用前景。

【文章链接】

  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

  本文第一作者是华南理工大学和不列颠哥伦比亚大学联合培养博士研究生朱朋辉,通讯作者为华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室陈港教授和不列颠哥伦比亚大学Sustainable Functional Biomaterials Lab的Feng Jiang教授,华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室为第一通讯单位。