▲共同第 一作者：雷丹丹、张祺翔 

通讯作者：刘逆霜  

通讯单位：华中科技大学              

论文DOI：10.1002/adfm.202107330  

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全文速览

　　这项工作首次提出了一种全新的电位-湿度转导机制，不仅满足湿度传感的需求，而且实现了自供电的能力，为未来小型化电子设备的发展提供了新的思路。重要的是，基于这种全新机制的湿度传感器展现出优于其他湿度传感器的性能。

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背景

氧化石墨烯固态电解质　　GO作为一种低成本、易于合成，富含多种氧基团的二维纳米材料，可以为湿度响应设备提供理想的平台(Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 496)。当大量H2O被困在GO的层状结构中时，它作为具有强烈各向异性的离子导体，使其成为具有离子传输特性的可行电解质(J. Phys. Chem. C 2010, 114, 2604)。此外，GO的导电性由离子导电性决定，离子导电性随环境湿度的变化而变化，约从5×10-6 S cm-1到4×10-3 S cm-1，表明GO的离子导电性有很大的调制区间。(Nat. Chem. 2009, 1, 403; Chem. Mater. 2008, 20, 6592)。如果使用GO薄膜作为固体电解质形成原电池，输出的电压或电流可以根据环境湿度进行调节，进而实现自供电湿度传感。

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研究出发点

　　基于以上研究现状，提出了一个全新的工作机制。在含氧基团的帮助下，吸附水分后可以在GO纳米通道之间自由运输的氢离子实际上可以作为电解质。当使两类电极材料与GO固体电解质接触时，由于两个不同电极之间的电势差，可以获得输出电压。作者通过实验和密度泛函理论证明了这种机制。重要的是，电位湿度机制并不依赖于特定的GO材料，任何能够满足固体电解质性能的材料都可以用作本工作中提出的湿度传感器的传感材料。可以通过使用最常见的湿度传感材料（例如GO）来实现基于电位湿度转导机制的湿度传感器，避免了复杂而昂贵的实验费用。

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自供能湿度传感器的机理与设计

　　将两类电极材料rGO和Nifm与含有H2O分子的GO膜接触时，借助于GO固体电解质，两个电极（rGO和泡沫金属Ni）之间的电位差可获得输出电压。通过调节GO膜的水合作用，并在电解质（GO）/电极（泡沫金属或rGO）界面上形成足够的表面接触。因此传感器两个电极之间测得的输出电压可以通过周围湿度场的变化进行调节。通过该策略，湿度刺激将转换为输出电压变化（图1）。

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电位-湿度传导机制的验证

　　为了排除GO膜中局部水分梯度的影响，将研究扩展到Cufm /GO/Znfm不同湿气方向之间的输出电压（图2a）。泡沫金属电极具有更好的孔隙率，使H2O能够更充分，更快速地接触GO层，有利于提高器件性能。如图2b所示，上下两个方向的湿度响应/恢复曲线基本保持不变，从侧面吹湿后略有下降，这主要是由于GO层横截面部分的接触面积有限。验证表明，rGO/GO/泡沫金属体系与局部水分梯度无关。

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密度泛函理论计算（DFT）

　　DFT计算充分表明，GO对H2O具有较大的吸附能。此外，当GO吸收水并作为固体电解质时，H+的吸附能变小，因此H+可以很好地迁移到基底材料上并获得良好的导电性。因此，在基于电位式湿度传递机理的rGO/GO/泡沫金属系统中，GO薄膜作为重要的固体电解质，保证在潮湿环境中两电极间输出电压的形成和调节，从而获得相应的湿度响应信号变化。

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湿度响应性能

　　根据电位湿度传感原理， rGO/GO/泡沫金属系统具有自供电、超低功耗（rGO/GO/Nifm为0.24µW）、超快速响应/恢复（0.8 s/2.4 s）、超高稳定性（超过1500次循环）以及出色的静态和动态湿度刺激监测能力，弥补了传统湿度传感机构在小型化和性价比方面的不足，为未来的便携式小型化智能设备提供了新的思路。

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总结与展望

　　作者提供了一种新的自供电湿度传感器的设计方案，将固态电解质夹在具有不同电势差材料的中间，通过外部湿度环境的改变从而改变固态电解质的电导率，进一步改变输出电压。这是一种普适且方便的方案，不仅仅适用于水汽，理论上适用于多种气体并可制造为多功能传感器。这种设计方案使得传感器具有出色的稳定性，响应性能以及自供电性能。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107330

文章来源：公众号【研之成理】 以上文章来源于研之成理 ，作者高义华刘逆霜团队

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。