触觉升级：柔性多孔石墨烯湿度传感器卓越性能MDPI Chemosensors

　　湿度传感器在农业、工业、医疗等多个领域都有着至关重要的应用，其性能提升一直是研究热点。传统湿度传感器常受限于湿度传感材料的低电导率和低水敏位点，导致可靠范围有限。在众多湿度敏感材料中，金属材料虽导电性好但成本高且易腐蚀；导电聚合物成本低、灵敏度较高但导电性和稳定能力差；碳材料稳定性高、性能好价格低，其中石墨烯纳米片非常关注，但原始石墨烯在高湿度下灵敏度不足，氧化石墨烯 (GO) 和还原氧化石墨烯 (RGO) 虽被用作湿度传感器，但其传感性能仍有待提升。本篇由韩国江原大学能源与化学工程学院Bong Gill Choi团队撰写并在期刊发表的文章，介绍了一种基于多孔还原氧化石墨烯 (HRGO) 的高灵敏度湿度传感器的制备方法，详细的介绍了实验所使用的材料、HRGO的制备与表征方法、湿度传感器的制作与性能测试过程，包括利用多种测试手段对材料和传感器做多元化的分析，并通过实验数据展示了该传感器在灵敏度、响应时间、稳定性、机械性能等方面的优异表现，还深入探讨了其湿度传感机制。

　　本研究采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯 (GO)。将石墨粉分散在含有K2S2O8和P2O5的H2SO4中，在85 °C下反应5h得到预氧化石墨，经冷却、水洗和真空干燥后，将其加入冰浴的H2SO4中，再加入KMnO4并搅拌过夜，随后用大量DI水洗涤，加入H2O2后离心，依次用HCl和DI水洗涤得到氧化石墨。将氧化石墨超声剥离，经真空过滤和冷冻干燥获得GO片。将GO片分散在H2O2和DI水的混合溶液中，密封于水热釜中在180 °C下反应6h，得到HRGO水凝胶，用DI水和乙醇洗涤多次后备用。利用扫描电子显微镜 (SEM) 和透射电子显微镜 (TEM) 观察GO和HRGO的形貌 (图1)，通过Brunauer-Emmett-Teller (BET) 方法测定其比表面积和孔隙结构，采用傅里叶变换红外光谱 (FT-IR) 分析其化学组成。

　　基于HRGO的湿度传感器 (HR-sensor) 由两个相同的金电极和水敏位点 (离子传导路径) 组成。将制备好的HRGO片分散在乙醇和DI水的混合溶液 (7:3) 中，滴铸在金电极表面，真空干燥过夜形成传感层，同时以RGO作为对照样品。通过循环伏安法 (CV) 测定电化学双层电容 (EDLC)，以研究材料的电化学活性面积。利用饱和盐溶液控制不同湿度环境，测量HR-传感器在11-97% RH范围内阻抗变化，得到校准曲线。对HR-传感器进行机械变形测试，测量其在正常和弯曲状态下的灵敏度。经过测量不同湿度水平下阻抗变化，研究传感器的响应和恢复时间、滞后误差和长期稳定性。利用EIS分析传感器在不同湿度水平下的传导机制，通过等效电路模型拟合阻抗谱数据，深入理解湿度传感机制。

　　利用EIS分析HR-传感器的传导机制，在不同湿度水平下，其阻抗谱呈现不同特征。在低湿度 (11%和33% RH) 时，HR-传感器的Nyquist图显示大的半圆，此时少量水分子物理吸附在HRGO表面的亲水基团上，电阻特性与H3O+相关，电容主要由质子传导主导，质子在湿度敏感位点间的跳跃转移需要较高能量，导致阻抗较高。随着湿度增加到52%，半圆逐渐收缩并变为直线，代表Warburg阻抗 (ZW)，表明离子 (H3O+) 在传感膜和电极之间的扩散过程占主导，此时HRGO传感膜的电阻和电容贡献减小，物理吸附水分子的极化和扩散作用增强。在高湿度 (52%) 条件下，物理吸附的水分子形成连续水层，基于Grotthuss链反应加速H3O+转移，明显降低HRGO膜的固有电阻，此时湿度传感机制归因于H3O+和H+在类液态物理吸附水层中的跳跃效应，在97% RH时，半圆消失，仅观察到直线，此时电解电导率对传感器阻抗起主要贡献，表明传感器在高湿度下的电阻和电容与吸附水分子和HRGO含氧基团之间的缔合和解离极化有关 (图2)。

　　图2. 在11、33和52% (低到正常) 的相对湿度水平下，用相应的等效电路和Nyquist曲线说明水分子和HRGO片之间的湿度感应机制，频率范围为100kHz至10Hz。

　　HRGO基湿度传感器在环境监视测定和可穿戴设备中的应用前景广阔。在环境监视测定方面，HR-传感器可提供精确的湿度数据，有助于及时掌握环境状态，对于农业生产、工业过程控制和空气质量管理等领域具备极其重大意义。在可穿戴应用方面，HR-传感器的柔性和轻质特性使其能够贴合人体进行长时间监测，对于人体健康监测和运动追踪等应用具有潜在价值。

　　本文成功制备了具有大比表面积和多孔结构的多孔还原氧化石墨烯 (HRGO) 纳米片，并将其应用于湿度传感器的制造。HRGO的高比表面积和丰富的孔结构为其在湿度感应方面提供了优异的性能。基于HRGO的湿度传感器 (HR-sensor) 展现出高灵敏度、快速响应时间和长期稳定性，且在机械弯曲状态下仍能保持稳定的感应信号，显示出良好的机械和电化学性能。通过电化学阻抗谱 (EIS) 分析，本文揭示了HRGO材料在不同相对湿度下的传导机制，为开发新一代高性能湿度传感器提供了科学依据。本研究为高性能湿度传感器的发展提供了重要的参考和依据，有望推动湿度传感器在农业、工业、医疗和可穿戴设备等领域的广泛应用。未来的研究能更加进一步探索如何精确调控HRGO的孔结构和表面官能团，以进一步提升湿度传感器的性能。同时，结合其他先进材料或技术，如纳米复合材料、微纳加工技术等，开发出具有更高灵敏度、更快响应速度和更好稳定性的湿度传感器，以满足日渐增长的实际应用需求。此外，对于湿度传感器在复杂环境中的长期稳定性和可靠性的研究也将是未来的重要方向之一。