基于CNT-PDMS电极的自供电湿度传感器

人们生活中频繁使用的便携式电子设备显示出自供电系统的重要性。在这方面，摩擦电纳米发电机（TENG）由于其设计的多样性和高功率输出而引起了广泛关注。作为TENG电极中广泛使用的材料，聚二甲基硅氧烷（PDMS）显示出独特的优势，例如电子亲合性、柔性和易于制造。

据麦姆斯咨询报道，近日，为了实现基于TENG的主动湿度感测，谢里夫理工大学（Sharif University of Technology）的研究人员提出了一种增强PDMS亲水性的简单方法，其包括两种并行工艺：1、孔隙率诱导；2、碳纳米管（CNT）复合。上述两种工艺都是在合成过程中通过加水进行的，这不仅完全安全（与类似的发泡/复合路线相比），而且适用于各种纳米材料。与裸电极相比，将改性电极用作基于TENG的单电极湿度传感器显著提高了传感响应（从56%到108%）。此外，环境湿度的检测范围扩大到80%。所制备的基于CNT-PDMS泡沫（foam）的湿度传感器不仅具有优异的传感特性，而且由于其重量轻和理想的自供电，在便携式应用领域显示出巨大的前景。

在这项研究中，为了降低PDMS的疏水性，将CNT做成一种水溶液加入到聚合物中。在这种方法中，由于纳米材料会被PDMS包围，因此在水溶液中添加纳米材料是可行的，从而形成生物相容性表面。CNT-PDMS多孔电极的制备过程如下图所示，由于CNT是亲水性的，有助于水滴更有效地分散在聚合物中，因此在捕获的水分蒸发后会产生更高的孔隙率。

CNT-PDMS多孔电极的制备步骤示意图

在PDMS网络和CNT-PDMS网络内部形成包含水分子的孔，其中作为水分子分离剂的CNT的存在可以产生更小的孔。

为了研究CNT-PDMS电极的TENG性能，研究了三种单电极TENG的输出电压和电流。基于致密PDMS、多孔PDMS和CNT-PDMS的TENG的输出电压平均值分别为35±19V、30±13V和27±15V。类似地，与产生最大峰值约为3A的多孔电极相比，致密PDMS的平均输出电流更高（4.1A）。由于电流最大峰值的变化比电压稍小，所以通过记录输出电流来进行湿度感测。

基于致密PDMS、多孔PDMS和CNT-PDMS的TENG产生的电压和电流

随着环境湿度的增加，电极的表面电荷密度逐渐减小。对于致密PDMS和多孔PDMS，电流的减少不会持续到较高的相对湿度（Relative Humidity，RH）值，而对于CNT-PDMS，在整个RH范围内可以观察到输出信号的减少。研究人员进一步研究了三种单电极TENG自供电传感器的传感行为。与纯聚合物电极相比，CNT-PDMS能够在30%-80%的整个RH范围内感应相对湿度的变化。CNT-PDMS电极表现出对湿度变化的最高响应，RH=80%时，响应高达108%，这大约是致密PDMS和多孔PDMS最高值（分别为56%和50%）的两倍。因此，添加CNT将湿度响应提高了100%以上。

所制备的TENG的传感行为

本项研究工作的突出特点不仅是由于应用了TENG而实现了自供电，而且由于有源电路设计而实现了整个装置的集成。此外，所制备的CNT-PDMS泡沫非常轻且具有柔性，有利于穿戴式/便携式应用。与以前基于PDMS、CNT或TENG的聚合物传感器的研究相比，研究人员所开发的湿度传感器的响应和恢复时间是可观的（约2秒）。

多孔PDMS和CNT-PDMS的动态响应，显示湿度传感的响应和恢复时间。

总之，研究人员提出了通过添加CNT来制备PDMS基泡沫的方法。所获得的电极的传感特性非常突出：响应为108%（提高了100%以上）；RH范围扩大到80%；响应/恢复时间保持在约2秒。所提出的基于PDMS的自供电湿度传感器在便携式电子设备以及工业应用中极具前景。

编辑：黄飞