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研究速覽

■?近日，華南理工大學沈文浩教授課題組，在國際知名期刊Carbohydrate Polymers上發(fā)表題為“Nacre-inspired cellulose nanofiber/MXene flexible composite film with mechanical robustness for humidity sensing”的研究論文。該論文利用納米纖維素（TOCNF）/MXene復合膜受濕度影響可改變MXene層間距的特性，制備了納米纖維素基柔性濕度傳感器，并對其在可穿戴設備領(lǐng)域的呼吸監(jiān)測以及非接觸濕度傳感應用開展了研究。

▉? 研究摘要? ▉

■?作為一種檢測工具，濕度傳感器可以實時傳達生活空間的舒適度。面對新冠肺炎疫情的肆虐，人們的生命和健康受到嚴重威脅。因此，用于健康、疾病監(jiān)測和相關(guān)方面的可穿戴電子設備越來越受到重視。傳統(tǒng)的基于半導體的濕度傳感器由于其剛性和昂貴的集成工藝，不易于集成到柔性可穿戴設備和電子皮膚中。2D 的MXene納米片具有大的比表面積，同時水分子引起的MXene片層之間通道的膨脹/收縮使其適合于監(jiān)測濕度。然而，純MXene薄膜通常表現(xiàn)出相對較差的機械性能，賦予MXene膜優(yōu)異的機械性能而保留其固有的柔性和親水性是一個有趣但具有挑戰(zhàn)性的問題。在“碳中和”和“碳達峰”的國家戰(zhàn)略背景下，從木材中所提取的納米纖維素因其具有生物相容性、自然降解性、優(yōu)異的親水性和機械強度而越來越受到關(guān)注。特別是，TOCNF可以作為粘合劑連接相鄰的MXene納米片以形成致密的層狀結(jié)構(gòu)，進而提升TOCNF/MXene復合膜的力學強度。考慮到這一點，納米纖維素特別適合于作為研發(fā)環(huán)境友好的濕度傳感器的潛在柔性基質(zhì)。

■?鑒于此，華南理工大學沈文浩教授課題組從仿生策略出發(fā)，受珍珠層“磚和砂漿”納米結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過真空輔助過濾自組裝策略制備了柔性的TOCNF/MXene濕度傳感器。MXene和TOCNF分別充當“磚骨架”和粘合劑“砂漿”。其中，TOCNF優(yōu)異的親水性在濕度傳感和改善純MXene膜的機械性能方面發(fā)揮了重要作用。本研究對TOCNF/MXene復合膜的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、力學性能、濕敏性能和敏感機理進行了全面的研究。作為概念佐證，制備了TOCNF/MXene濕度傳感器，用于探索監(jiān)測人體呼吸、指尖和皮膚濕度的可行性，顯示了其在新興智能柔性器件中的巨大應用潛力。

■ 研究要點1

本工作利用真空抽濾制備TOCNF插層的MXene薄膜，與MXene疏松的層狀結(jié)構(gòu)相比，TOCNF與MXene的復合表現(xiàn)出更致密、更有序的層狀結(jié)構(gòu)。如圖1中k和l所示，復合膜在不同位置的放大截面形貌顯示出珍珠層的“磚-砂漿”結(jié)構(gòu)，其中TOCNF作為粘合劑連接相鄰的MXene納米片。同時，MXene“磚”和TOCNF“砂漿”的協(xié)同效應賦予復合膜優(yōu)異的柔韌性和拉伸強度，這歸因于TOCNF和MXene之間相互連接形成的三維網(wǎng)絡和多重氫鍵相互作用的結(jié)果。

圖1. TOCNF/MXene復合膜的SEM形貌表征

圖2. TOCNF/MXene復合膜的結(jié)構(gòu)表征及機械性能

■?研究要點2

為了評估TOCNF/MXene復合膜傳感器的濕度傳感性能，采用電化學工作站記錄傳感器在不同濕度值下的響應曲線，該傳感器表現(xiàn)出優(yōu)越的綜合傳感性能。同時對其濕敏機理進行了分析，在潮濕環(huán)境下，吸附的水分子在TOCNF/MXene復合膜表面形成水膜，水膜在外電場作用下產(chǎn)生的氫離子（H3O+）可以作為導電載體，提高了復合膜的導電性。然而，吸附的水分子滲透到復合膜中并誘導TOCNF的溶脹行為，擴大了層間距并減少了MXene納米片層間的有效接觸，使得復合膜電阻增加。也就是說，TOCNF的溶脹效應和H3O+電導效應之間存在平衡，研究結(jié)果表明，TOCNF/MXene復合膜的電阻隨著濕度的增加而增加。因此可以得出結(jié)論，在溶脹效應和H3O+電導效應之間的權(quán)衡作用下，TOCNF/MXene的濕度傳感由層間溶脹效應主導。

圖3. TOCNF/MXene復合膜傳感器的濕敏性能

圖4. TOCNF/MXene復合膜傳感器的濕敏機理

■?研究要點3

為了探索所制備的TOCNF/MXene濕度傳感器在柔性可穿戴設備中的應用，將該傳感器用來動態(tài)監(jiān)測人體呼吸和皮膚濕度，同時非接觸式濕度傳感的應用可行性也被驗證。

圖5. TOCNF/MXene復合膜傳感器用于監(jiān)測人體呼吸、指尖濕度和皮膚濕度的概念驗證

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?受天然珍珠層狀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究者采用簡單的過濾自組裝策略制備了TOCNF/MXene復合膜濕度傳感器，同時該復合膜具有出色的拉伸強度和柔韌性。此外，TOCNF不僅提供了豐富的吸附位點用于捕獲水分子，還促進了吸附的水分子到MXene納米片的電子轉(zhuǎn)移。在潮濕環(huán)境下，TOCNF的吸濕膨脹也進一步擴大了電信號變化。因此，所制備的TOCNF/MXene復合膜表現(xiàn)出優(yōu)越的綜合濕敏傳感性能，可以動態(tài)監(jiān)測人體呼吸、皮膚濕度以及模擬非接觸式濕度感應。這項工作為柔性濕度傳感器的設計和研發(fā)提供了新的視角。

■?文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120109