电子科技大学王焱CEJ：层间交联MXene实现全印制纸基柔性超稳定湿度传感器实时湿度监测

第一作者：张濠雯

通讯作者：王焱*，张亚刚*，冯哲圣*

单位：电子科技大学

基于非接触的工作模式，湿度监测可以有效记录人体的呼吸情况以及皮肤湿度等生理参数，从而提供人体健康状态的各项指标。然而传统商业化湿度传感器的低灵敏度和慢响应速度阻碍了这一概念的推进。近年来，碳纳米管、石墨烯、过渡金属氧化物、二硫化钼等材料由于具有高比表面积、丰富的亲水性官能团和理想的电子响应特性等优点，被广泛应用于各种传感类材料的研究中。其中，MXene作为一种新兴的具有高比表面积的二维过渡金属碳化物材料，在湿敏传感研究中受到了广泛的关注。但由于其独特的疏松二维层状结构，使得目前MXene基传感器的响应强度、监测灵敏度、结构稳定性和抗氧化性的同时提升仍然难以实现。因此，开发一种具有优异的物理化学稳定性和湿度敏感性的改性MXene复合材料是至关重要的同时也是技术可行的。

基于此，来自电子科技大学的王焱教授与张亚刚教授，冯哲圣教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为”Interlayer cross-linked MXene enables ultra-stable printed paper-based flexible sensor for real-time humidity monitoring”的研究性文章。该文章介绍了一种通过硝酸银（AgNO₃）实现聚乙烯亚胺（PEI）及戊二醛（GA）改性MXene得到PEI/AgNO₃交联改性MXene复合材料（PMX6-A7）的有效方法。

该复合材料具有良好的结构稳定性、抗氧化性和湿敏响应特性，可用于制备高性能湿度传感器。PEI/AgNO₃交联改性层的加载优化了MXene材料的层间结构，有利于水分子的扩散和复合材料结构稳定性的增强。同时，PEI/AgNO₃交联改性层与MXene的层间及表面的紧密结合在复合材料中引入了大量亲水性官能团，有利于增强湿度监测过程中水分子在湿敏功能层中的结合性。此外，交联改性层在生长的过程中产生了大量的含氧基团，有效增强了湿度传感器在长期储存过程中的化学稳定性，抑制了复合材料的氧化敏感性。最终，基于良好的湿度敏感性和物理化学稳定性，利用PMX6-A7湿度传感器组装的实时湿度监测器实现了对人体皮肤湿度和动态呼吸的有效监测。这项研究为实现可靠的实时湿度监测提供了一种可行的方法，在人机动态交互、智能传感设备和医疗健康领域具有极大的应用潜力。

图1. PMX6-A7湿度传感器制备流程示意图

在这项工作中，同时采用了表面修饰及层间改性两种策略以强化MXene复合材料的湿敏响应性能。利用PEI与GA的连锁反应得到具有大量功能官能团的链式聚合物。通过加入硝酸银对链式聚合物的聚合度进行限制，得到化学扩散性良好的PEI/AgNO₃交联改性液。通过交联改性液实现MXene交联改性从而大幅强化了该复合材料的结构强度。同时，交联改性层对MXene的结构优化促进了水分子的扩散，其所携带的大量亲水性功能官能团提高了水分子的吸附性能。基于交联反应过程中所产生的含氧官能团以及交联改性层对MXene的饱和覆盖度，MXene复合材料的抗氧化性能也得到了显著的增强。

图2. PMX6-A7复合材料改性前后电化学表征对比及相关湿敏传感机理

要点二：有效提升MXene基湿度传感器性能，赋予其优异的非接触式湿度监测潜力

所制备的PMX6-A7湿度传感器展现出了优异的湿敏响应能力，包括良好的电容响应灵敏度（819.9%，11%-97% RH），超快的响应速度（响应/恢复时间6.9/11.9 s）。同时，归功于负载在MXene表面及层间的交联改性层，复合材料本身的机械性能得到了显著增强（100次弯曲循环后电容响应衰减小于3%），其抗氧化性（30天存储后对不同湿度的电容响应衰减小于15%）以及耐高温性（极端高温环境下对不同湿度的电容响应衰减小于2%）也得到了进一步提高。该湿度传感器展示了针对不同工作条件良好性能及功能稳定性的极高潜力。

图3. PMX6-A7湿度传感器电容响应及稳定性测试

要点三：封装湿度监测器实现人体呼吸及皮肤湿度的实时监测，显示出卓越的实际应用价值

利用所制备的PMX6-A7湿度传感器进行封装所得到的实时湿度监测器，在应用范例中展示了对人体呼吸状态以及皮肤湿度的有效监测。同时，基于此功能，针对人体不同身体部位在运动过程中的动作强度变化，实现了对人体的多项生理信息进行了有效的反馈。在封装过程中所采用的结构保护性材料以及所设计的多层封装结构，使该监测器具有良好的环境耐受性。基于上述研究，我们认为该湿度传感器在人机交互技术及医疗健康领域具有极其广阔的应用前景。

图4. 封装湿度监测器实际应用示例

“Interlayer cross-linked MXene enables ultra-stable printed paper-based flexible sensor for real-time humidity monitoring”

王焱简介：电子科技大学教授，四川省特聘专家，成都市特聘专家，入选电子科技大学星火计划，获得川渝协同创新成果二等奖（排名第1）等。担任Nano-Micro Letters、Nano Materials Science、《材料工程》《无机盐工业》等青年编委，Nanomaterials、Processes客座编辑。担任四川省电子学会专家委员，四川省科技协同创新促进会专家委员，中国微纳技术学会高级会员等。从事印制电子材料与集成器件领域研究，包括全印制电子技术、柔性基功能器件、RFID标签天线、敏感材料及器件等。作为项目负责人主持了国家自然科学基金、省部级课题等10余项。在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Angewandte Chemie-International Edition、Composites Part B: Engineering、Small等期刊发表论文60余篇，申请发明专利40余项，已获授权10余项，受邀担任多个国际学术会议分会主席或程序主席。