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  柔性電子濕度傳感器由于其在可穿戴電子設備、智能織物，電子皮膚以及軟體機器人等領域的巨大應用潛力，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、化學穩(wěn)定性、可生物降解及來源豐富、價格低廉等特點，被認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、涂布等手段將導電碳納米材料與纖維素基質(zhì)復合設計了不同結(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雜、靈敏度低等問題�；诖�，本文通過結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化，提出了利用呈負電性的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、寬響應范圍、優(yōu)異線性度、耐彎曲以及長期穩(wěn)定的柔性紙基濕度傳感器的新策略。

  近日，來自華南理工大學的陳港教授與不列顛哥倫比亞大學的Feng Jiang教授等，在國際知名期刊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，設計了一種具有高靈敏度、寬響應范圍、優(yōu)異線性度、耐彎曲以及長期穩(wěn)定的柔性紙基濕度傳感器，適用于人體呼吸監(jiān)測、空氣濕度監(jiān)測及非接觸式開關(guān)等領域。

圖1. TOCFs/CNTs紙基濕度傳感器的設計原理圖。

要點：獨特的TOCFs/CNTs吸附結(jié)構(gòu)設計，賦予紙基傳感器高靈敏度、優(yōu)異的機械耐久性和長期穩(wěn)定性

  該研究首先利用TEMPO氧化處理在纖維表面引入負電荷；其次，利用陽離子型表面活性劑CTAB分散CNTs，賦予CNTs正電荷�；谡撾姾芍g的靜電相互作用，納米級CNTs均勻地吸附至TOCFs表面，制備得到CNTs修飾的導電TOCFs。在此基礎上，通過簡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)境中的潤脹特性對CNTs導電網(wǎng)絡的破壞作用，進一步放大了傳感器濕敏信號的變化幅度。基于上述TOCFs/CNTs獨特的導電網(wǎng)絡設計，紙基傳感器展現(xiàn)出高靈敏度（87.0％，響應極限為100％）、寬響應范圍（11%-95% RH）、優(yōu)異的線性度（R² = 0.995）、良好的彎曲（曲率達2.1 cm^-1）和折疊（超過50次）耐久性和長期穩(wěn)定性（大于3個月）。

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理。

圖6. TOCFs/CNTs紙基濕度傳感器的應用示例展示。

  本文報道了一種基于TOCFs/CNTs導電網(wǎng)絡的高靈敏度、寬響應范圍、優(yōu)異線性度、耐彎曲以及長期穩(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)境中的潤脹特性，TOCFs/CNTs紙基傳感器在95％ RH條件下靈敏度高達87.0％（ΔI/I0，響應極限為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2.1 cm^-1）和折疊（超過50次）耐久性以及長期穩(wěn)定性（大于3個月），所制備TOCFs/CNTs紙基傳感器在人體呼吸監(jiān)測、空氣濕度監(jiān)測及非接觸式開關(guān)等領域具有廣闊的應用前景。

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

  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

【通訊作者簡介】

  陳港，博士，教授，博士生導師

  現(xiàn)任華南理工大學特種紙研究團隊首席教授，特種紙技術(shù)創(chuàng)新平臺負責人，國家級教學團隊負責人，中國造紙學會理事，中國造紙學會涂布加工紙專業(yè)委員會副主任，中國造紙學會納米纖維素及材料專業(yè)委員會委員，廣東省特種紙與紙基功能材料工程技術(shù)研究中心主任，廣東省造紙學會常務副理事長，廣東造紙行業(yè)協(xié)會副會長。擔任《中國造紙》、《中國造紙學報》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域為造紙新技術(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理、納米纖維素制備及應用、造紙化學品的優(yōu)化及應用、紙張防偽技術(shù)、功能材料在造紙過程的應用等，先后主持和參加國家重點研發(fā)計劃、國家工信部重點行業(yè)綠色制造系統(tǒng)集成項目、國家自然科學基金、國家“973”計劃、省自然科學基金、省高新技術(shù)成果孵化項目、粵港重點領域重大突破招標項目等。

  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.