电子科技大学蒋亚东教授团队ACS Nano：感湿/发电一体化湿度传感器机理解析与多功能应用

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-18 08:03

正文

新兴的感湿/发电一体化电化学湿度（Electrochemical Humidity，ECH）传感器受到了湿度传感器领域大量关注，并在性能方面取得了许多进展（电子科大蒋亚东团队: 电化学湿度传感器进展与展望），然而其工作机制存在争议，这给高性能ECH传感器的研制及应用带来了许多挑战。

近日，电子科技大学蒋亚东教授团队报道了一种平面结构的高性能 ECH 传感器，该传感器以镁铜作为电极，KCl/碳黑（CB）/埃洛石纳米管（HNTs）作为湿敏材料，实现了10.9%-91.5% RH的宽湿度响应，单个ECH传感器在91.5% RH下可以输出1.46 V电压，最大功率为133.2 μW。结合多种表征和测试技术明晰了工作机理，发现ECH传感器正极上同时存在氢离子参与的析氢反应和氧气参与的还原反应，为目前充满争议的ECH传感器工作机理提供了直接的实验证据。该工作以“Observing Mixed Chemical Reactions at the Positive Electrode in the High-Performance Self-Powered Electrochemical Humidity Sensor”为题发表在ACS Nano，第一作者为博士生张明祥，通讯作者是段再华副教授和太惠玲教授。

【器件结构与表征】

该传感器由铜正极、KCl/CB/HNTs湿敏膜和镁负极组成，其中KCl 用于离子传导，导电的CB 能够降低传感器的内阻，而亲水性 HNTs则有利于湿敏性能。借助SEM、XRD、FTIR和接触角等表征技术，证实了湿敏膜由KCl、CB和HNTs组成，以及良好的亲水性。

图1. ECH传感器和材料表征

【湿敏和发电特性】

通过研究KCl、CB和HNTs的比例，制备了兼具良好湿敏特性和高发电功率的ECH传感器。在91.5%RH时，其输出电压电压可以达到1.46V。同时，该传感器在10.9%-91.5%RH的宽湿度范围表现出非常好的线性响应，灵敏度为0.017V/RH。在进一步对其发电特性进行测试时发现，该传感器不但在高湿度环境中可长时间维持高输出电压水平，而且具有高达133.2μW的高输出功率。

图2. ECH传感器的湿敏和发电性能

【ECH传感器工作机理】

基于水分子吸附/解离及电化学反应分析了ECH传感器的湿度传感和发电机制。此前报道认为ECH湿度传感器的正极为析氢反应或氧还原反应。在本研究，利用SEM和EDS对传感器的形貌和元素表征验证了离子移动情况，此外借助氢气传感器成功检测到该传感器在工作过程中所产生的氢气；进一步地，结合XRD和XPS表征对电极上的反应产物进行分析确认了Mg(OH)₂的存在；最后，通过测试传感器在有氧和无氧环境的输出电压，证实了氧气在其中所发挥了积极作用。综合上述表征与实验结果，得出传感器工作时同时存在氢析反应与氧还原反应。

图3. ECH传感器的工作机理表征

【ECH传感器的应用】

鉴于该传感器的高湿敏和发电性能，验证了其在生理体征监测和非接触式开关控制领域的应用。在生理体征监测方面，将其与呼吸面罩整合可用于监测呼吸频率。在非接触式开关控制方面，人体皮肤湿度可刺激传感器产生响应，传感器的响应电压随手指靠近或远离而变化，且集成的传感器阵列能感知水平空间湿度分布，检测不同区域湿度情况。

图4. ECH传感器在呼吸频次和非接触开关领域的应用

自供能湿度检测是发电型湿度传感器的一个重要潜在应用，基于ECH传感器设计了自供电湿度检测及智能婴儿尿布检测报警系统。首先通过直接将该传感器与指针微安表串联，实现零功耗、可视化湿度检测。进一步地，通过串联、并联传感器，提升了传感器的输出电压、电流和功率，提出两种监测尿不湿状态策略，一是直接集成该传感器与LED阵列实现光报警，二是通过设计专用的微能量收集电路，构建含超级电容器、驱动电路等的有声报警智能尿不湿系统，经模拟测试可实现报警功能。

图5. ECH传感器的自供电湿度检测应用

【总结】

综上，本研究提出了一种高性能ECH传感器，可以自发地在10.9%-91.5% RH范围内输出电压，灵敏度为0.017 V/RH。在91.5% RH下，单个ECH传感器的输出电压达到1.46 V，最大功率为133.2 μW。此外，该传感器可用于呼吸频率监测和非接触式开关；得益于高的输出电压和功率，该传感器可以直接驱动指针式微安计和LED。作为概念验证，本研究设计了一种结合ECH传感器的自供能智能婴儿尿不湿检测和报警系统。在机理方面，实验表征和测试结果表明，明确了析氢和氧还反应同时存在，析氢反应为主，O₂对ECH传感器的性能有积极作用。

原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10432

来源：高分子科学前沿，作者授权独家发布。

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