电子科技大学王焱/武汉大学吴伟CEJ： PDDA修饰的Ti3C2Tx纳米带提升全印刷湿度传感器性能用于非接触湿度监测

第一作者：黄梦林

通讯作者：王焱*，吴伟*

单位：电子科技大学，武汉大学

湿度检测可以通过非侵入性的方式记录人体的呼吸情况，从而为我们提供身体状态的丰富信息，然而传统湿度传感器的低灵敏度和慢响应时间阻碍了这一概念的实现。事实上，传感器的性能通常受到敏感材料的限制。到目前为止，各种亲水性材料，如聚合物、石墨烯和各种金属-有机框架已经被用作湿度敏感材料。其中，二维MXene材料由于具有优异的亲水性和特殊的层状结构显示出作为湿度敏感材料的巨大潜力。但同样受限于MXene的巨大结构，其有限的水合/脱水效率仍然限制了湿度响应/恢复时间。同时，基于MXene的传感器的低灵敏度也无法满足制造高性能湿度传感器的要求。因此，有必要进一步采取措施对MXene材料进行改性进一步提升其湿敏性能。

近日，来自电子科技大学的王焱副教授与武汉大学的吴伟教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Non-contact humidity monitoring: Boosting the performance of all-printed humidity sensor using PDDA-modified Ti₃C₂T_x nanoribbons”的观点文章。该文章介绍了一种同时采用表面修饰和微结构设计两种方式的策略对MXene材料改性，进一步增强其湿感性能。首先，通过对MXene进行碱化处理，形成具有增大层间间距和比表面积的3D多孔框架的MXene纳米带。此外，利用碱化处理后MXene增强的电负性，带有正电荷的聚二烯基二甲基氯化铵（PDDA）链被吸附到3D框架的表面上，通过静电自组装成功制备了一种新型复合材料（KPMX）。具有3D多孔结构MXene纳米带有利于水分子沿层间纳米通道快速扩散和整个结构的快速电子传输。而负载的PDDA则增强了MXene与水分子之间的相互作用。

同时PDDA还充当了MXene纳米带的保护屏障，有效减缓了氧化敏感性，提高了MXene纳米带的稳定性和机械强度。在保证传感器优异性能的基础上，为了解决柔性器件规模化制造的挑战，通过添加黄原胶调节KPMX复合材料粘度，成功将其配制成功能性墨水。通过丝网印刷，作为传感层的KPMX墨水进一步与纸基叉指电极组装在一起，制备成KPMX湿度传感器。KPMX传感器表现出优异的湿度检测性能，包括宽检测范围、高灵敏度、超快的响应和恢复速度。基于其优异的表现，KPMX传感器有望用于非接触式人体呼吸检测，以及环境湿度检测。

在这项工作中，表面修饰和微结构设计策略两种方法被首次同时采用以增强MXene材料的湿度敏感性能。通过碱化处理，将二维MXene材料转化为一维MXene纳米带（KMX），形成了具有增大层间间距和比表面积的3D多孔骨架，从而有利于水分子沿着层间纳米通道快速扩散和整个3D多孔结构中快速电子传输。此外，利用碱化处理后MXene材料增加的电负性，带有正电荷的聚（二烯基二甲基氯化铵）（PDDA）链通过静电自组装吸附到3D骨架的表面，成功制备了一种新型复合材料（KPMX），同时负载的PDDA分子有利于增强了MXene与水分子之间的相互作用。

通过添加黄原胶，制备的KPMX材料被进一步配制成功能性墨水，获得的KPMX墨水表现出良好的粘稠性和较低的损耗因子，即使在倒置状态下也能保持稳定。同时，制备的KPMX墨水可通过丝网印刷创作各种复杂图案，如"电子科技大学"标志和"MXene"字符，显示出良好的适印性。基于其出色的印刷表现，本工作进一步将制备的KPMX墨水通过丝网印刷方式与柔板印刷制备的纸基叉指电极组装，成功制造全印制传感器件KPMX湿度传感器。有望解决柔性传感器件规模化制造，大范围应用难题。

制备的KPMX7传感器展现出优异的湿度感应性能，包括超高的灵敏度（48813%，11%-97% RH），超快的响应和恢复速度（8.794/2.656 s）。此外，归功于负载在MXene纳米带表面的PDDA分子链，MXene材料本身的机械性能和抗氧化稳定性得到明显增强，该传感器可以应用在各种复杂极端应用场景中。基于其出色的湿敏性能和良好的稳定性，KPMX7传感器在非接触湿度监测方面表现出了卓越的潜力，包括检测非接触手指触摸、皮肤的湿度水平，以及呼吸模式中湿度的变化，这表明了KPMX7传感器在人机交互技术和健康监测方面具有巨大潜力。同时，这款湿度传感器还可以用于记录由语音引起的湿度波动，用于构建一种新型的生物特征反伪造系统。

“Non-contact humidity monitoring: Boosting the performance of all-printed humidity sensor using PDDA-modified Ti₃C₂T_x nanoribbons”

王焱简介：电子科技大学副教授，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）、电子科技大学学术新人奖、青年教师教学竞赛二等奖、教学成果三等奖等。担任Nano-Micro Letters、Nano Materials Science、《材料工程》《无机盐工业》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Advanced Functional Materials、Angewandte Chemie-International Edition、Small、Composites Part B: Engineering等期刊发表学术论文50余篇，申请发明专利40余项，已获授权10余项，实现专利权转让4项，受邀担任多个国际学术会议分会主席或程序主席。

吴伟简介：武汉大学三级教授，博士生导师，第三届全国创新争先奖获得者，国家万人计划青年拔尖人才，湖北省杰青，印刷工程、包装工程领域全国首席科学传播专家（中国科协第六批），兼任ISO国际标准化组织TC-130技术委员会委员，中国印刷高等教育联盟副理事长，中国感光学会印刷技术专业委员会副主任，中国包装联合会教育委员会副主任委员。研究领域为可印刷功能材料的合成，印刷图文信息防伪，印刷电子学与智能包装。近年来以第一作者或通讯作者在Applied Physics Reviews，Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials，Small，《中国科学‧材料》等国际高水平期刊发表论文100余篇（十余篇论文入选ESI高被引或热点论文），被他人引用10000余次（单篇论文最高引用>1500次）。先后荣获中国产学研合作创新与促进奖二等奖，第十五届毕昇印刷技术奖，STAM Best Paper Award，Hong Kong Scholars Award等奖励，连续3年获英国皇家化学会Top 1%高被引作者奖。