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基于褶皱石墨烯上形成均匀微水滴的超快速响应湿度传感

作为最重要生命体征之一,人体呼吸活动的监测是现代医学对于心肺和呼吸系统功能判断的重要依据,其在疾病诊断、健康状况监测及个人医疗保健方面都具有广泛的应用。较于传统的多导式呼吸监测系统,具有快速响应的便携式可穿戴湿度传感器在呼吸监测中由于其易用性受到了广泛关注。然而,在诸多呼吸监测应用中,便携式湿度传感器经常需要被封闭在特定环境中如口罩内。长时间暴露在高湿度环境中(60%-100%)导致大多数湿度传感器吸附过多的水分从而极大的降低其响应度与回复时间,甚至造成传感器的失效。因此,设计一种具有高灵敏度、超快响应速度且在高湿度环境下具有优异的稳定性的湿度传感器是非常重要的。石墨烯由于其超高的比表面积、优异的电学性能、对水分子较高的响应度和较快的响应速度等特性是湿度传感器的潜在理想材料。

基于褶皱石墨烯上形成均匀微水滴的超快速响应湿度传感


 清华大学材料学院的甄真博士在朱宏伟教授的指导下,利用金属催化剂—铜锌合金作为化学气相沉积衬底,制备了一种具有均有褶皱结构与疏水表面的石墨烯薄膜。由于铜和锌的熔点差异,可准确控制石墨烯的生长温度以及速率。在锌的蒸发过程中,催化剂衬底的表面形貌完整的体现在石墨烯的褶皱中,同时在褶皱边界处引入缺陷从而提高石墨烯对水分的响应。转移至硅片上的褶皱石墨烯由于其特殊的表面形貌和缺陷使其对水分子具有超快响应回复速度(12.5ms)(目前报道最高值)。与此同时,该传感器可以直接应用于口罩中进行呼吸传感的监测,对温度变化不敏感,并在高湿度环境下显示出优异的湿度监测灵敏度和稳定性。通过对比褶皱石墨烯、常规化学气相沉积法制备出石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯在高湿度环境下的湿度监测性能,发现其它石墨烯材料由于其平整的表面,过多的水分极易形成难以蒸发的几百微米以上的大水滴而覆盖整个表面,传感器响应度及回复速度严重劣化。而褶皱石墨烯由于其特殊的褶皱疏水表面,水蒸气在传感器表面倾向于形成独立的微米大小的水滴而非移动融合成大水滴,从而最大化了其蒸发面积与蒸发速度,传感器性能在长时间的高湿度环境下并无任何退化。

基于褶皱石墨烯上形成均匀微水滴的超快速响应湿度传感

综上所述,该种基于均匀褶皱的石墨烯湿度传感器具有较好的灵敏度、超快响应和恢复速度及在高湿度环境下的工作稳定性。应用展示证明了基于该石墨烯湿度传感器可检测包括呼吸急促、哮喘、呼吸骤停以及说话和咳嗽等呼吸的细微变化。另外其极高的响应速度使得其通过检测从指尖皮肤蒸发的水分,可以判断出手指的动作。预期此类传感材料与技术能为未来呼吸监测及相关应用提供新思路。

 相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201703848)上。


论文原文链接如下,或点击下方“阅读原文”:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201703848

作者:Zhen Zhen, Zechen Li, Xuanliang Zhao, Yujia Zhong, Li Zhang, Qiao Chen, Tingting Yang, Hongwei Zhu*



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