研究背景
随着科技的飞速发展，环境监测已成为现代社会不可或缺的一部分。在众多环境参数中，大气湿度是一个极其重要的指标，它不仅关系到环境质量的评估，还与农业、生物医药、气象、食品加工、制药、微电子等多个工业领域紧密相关。因此，开发能够监测微小湿度变化的传感器显得尤为重要。理想的湿度传感器应具备高灵敏度、高选择性、良好的重复性和化学及物理稳定性。目前，基于聚合物的湿度传感器面临多种限制，包括能耗较高的合成过程、低灵敏度和响应速度慢。这些问题限制了它们的实际应用潜力。为了克服这些挑战，研究人员一直在探索新的方法和材料来提升湿度传感器的性能。
成果简介
在这一背景下，Ana Trajcheva 及其团队在《Advanced Materials Technologies》上发表了一项创新性研究，提出了一种全新的基于全水性纳米结构的硫醇-烯/还原氧化石墨烯（Thiol-Ene/Reduced Graphene Oxide, rGO）湿度传感器。该研究通过一种稳健的全水性原位微型乳液聚合方法，成功制备了具有杰出选择性的湿度传感器。这种方法不仅减少了对环境的负面影响，而且所选用的硫醇-烯聚合物和含量在0.2-1.0 wt%范围内的rGO，展示了在湿度暴露下的高耐水性和半结晶特性，有助于防止早期分层。研究中特别指出，0.6% rGO复合物展现出最佳的湿度感应性能，能够快速且一致地响应800-5000 ppm的水蒸气浓度变化。此外，该传感器在对水蒸气的检测上表现出显著的选择性，对甲苯、丙醇和4-甲基-2-戊醇等其他蒸汽的响应则较弱。这种高选择性归因于水性薄膜的高表面亲水性和固有的孔隙性，以及rGO片层在基质中的网络结构。
图文导读
图1 不同rGO含量的复合胶体的粒径分布，从图中可以看出，随着rGO含量的增加，粒径分布呈现多样化，PDI值也随之增加，表明粒子尺寸分布变宽。
图2 为不同rGO含量样品的截面SEM图像，图像显示所有薄膜都具有类似的形态，石墨烯片（白色结构）在聚合物基质（深灰色或黑色）中随机排列，没有聚集。
图3 显示了纳米复合材料的DSC结果，揭示了复合材料的热特性，包括玻璃化转变温度（Tg）和熔点（Tm）。
图4 为复合薄膜中rGO分布的截面TEM图像，图像中rGO片层在聚合物基质中形成了网络结构，且未观察到rGO的聚集。
图5 纯聚合物和不同rGO含量复合薄膜的水吸收情况，结果显示，rGO的加入显著提高了薄膜的抗水性。
图6 0.6 wt% rGO纳米复合材料对水蒸气的传感器响应，显示出对水蒸气浓度变化的快速响应。图7 为0.6 wt% rGO纳米复合材料对水蒸气浓度的响应线性拟合分析，进一步证实了传感器的性能。
图8 0.6 wt% rGO纳米复合材料对5000 ppm不同蒸汽的响应，包括4M2P、水、丙醇和甲苯，显示出传感器对水蒸气的高度选择性。
图9 为0.6% rGO纳米复合材料湿度传感器的感测机理示意图，阐释了水蒸分子在复合物表面的吸附、吸收以及与rGO/聚合物界面的相互作用。
小结
本研究通过原位绿色微型乳液聚合工艺，成功制备了基于rGO纳米片的水性硫醇-烯复合材料。所得复合薄膜具有良好的机械特性和出色的水蒸气感测性能。特别是，0.6 wt% rGO复合物在环境温度下对100-5000 ppm水蒸气浓度展现出了快速、可重复和高选择性的响应。此外，该复合物还具有低成本、易于制造、使用简便以及良好的耐水性等优点，使其成为湿度传感器的理想材料。这项工作不仅推动了聚合物基湿度传感器的发展，也为环境监测和工业应用提供了一种高效、环保的解决方案。
文献：https://doi.org/10.1002/admt.202400114
本文来自材料研究进展，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
