柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于能量收集技术、敏感电子学和复合纳米材料技术领域，涉及湿度传感器，具体提供一种柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器及其制备方法。本发明专利技术将正电极与负电极设置于柔性衬底上表面、且二者之间形成敏感沟道，再将MXene纳米片/酸性粘多糖复合材料作为敏感活性层填充于沟道内；敏感活性层上吸附水分子后电离产生正、负离子，从而在正、负电极处发生氧化还原反应，实现原电池工作机制，进而实现自供电湿度检测，即在湿度环境下自发产生电压信号，不需要任何额外的外部驱动力；并且，本发明专利技术能够实现宽检测范围(10.9％

【技术实现步骤摘要】
柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于能量收集技术、敏感电子学和复合纳米材料
，涉及湿度传感器，具体提供一种柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]湿度传感器主要用于测定大气环境的湿度变化，在仓储、粮食及食物防霉、温室种植、环境监测、仪器电器、交通云舒、气象、导弹、火箭储存等方面都有着越来越重要的作用，甚至处于不可或缺的地位。传统的湿度传感器主要包括：电阻型、电容型、质量敏感型，均需要外部电源供给能量；日益增长的能源消耗和日益增强的环境意识引发了人们对绿色和可再生能源的更强烈要求，作为未来电子产品的重要发展方向之一，将先进的能源生产技术与传感器相结合，构建一个自供电系统，不仅可以解决绿色能源可用性的限制，而且可以使电子产品在无需外部充电的情况下独立、可持续地运行。
[0003]近年来，科研工作者将基于摩擦电、压电或光伏的先进能源发电技术与传感技术相结合，以实现自供电湿度检测。例如，公开号为CN115112715A的专利文献中专利技术公开了一种柔性自供能湿度传感器及其制备方法，该器件属于压电型湿度传感装置，采用压电聚合物与纳米材料制备多孔压电复合膜，然后将多孔压电复合膜与微米孔隙状的柔性电极组装成三明治结构的自供能湿度传感器；施加压力，压电型湿度传感器产生电压信号，随着湿度增加，电压输出逐渐减小，即实现湿度传感。虽然，压电型湿度传感器可输出电压信号，但是，其工作过程中仍需要额外的压力，即需要外部能量驱动其工作。不同于摩擦电、压电型传感器，基于原电池工作机制的湿度传感器可以直接被水分子驱动，输出电压信号，具有湿度敏感与能量输出双重功能。然而，目前公开的该类湿度传感器在宽检测范围、快响应、柔性等方面仍面临挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有湿度传感器存在的诸多问题，提供一种柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器及其制备方法；本专利技术基于MXene材料优异的导电性、多糖有机物的亲水特性与机械强度、以及二者耦合形成的三维纳米结构，得到MXene纳米片/酸性粘多糖复合材料作为敏感活性层，敏感活性层上吸附水分子并电离产生正、负离子，从而在正、负电极处发生氧化还原反应，进而输出电压信号，实现自供电湿度检测；并且，本专利技术具有器件结构简单、成本低廉、生物兼容性高等优点，为发展高性能、低成本的自供电湿度传感系统提供一种新途径。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器，包括：柔性衬底1、正电极2、负电极3与敏感活性层4；其特征在于，所述正电极与负电极设置于柔性衬底上表面、且正电极与负电极之间形成沟道，所述敏感活性层填充于沟道内，敏感活性层吸附水分子后电离
出正、负离子，在正、负电极处形成电势差；所述敏感活性层采用MXene纳米片/酸性粘多糖复合材料。
[0007]进一步的，所述沟道的宽度为0.1～1mm。
[0008]进一步的，所述MXene纳米片采用Nb2CT
x
纳米片、Ti3C2T
x
纳米片或Ti2CT
x
纳米片，其中，T
x
代表末端官能团。
[0009]进一步的，所述酸性粘多糖采用透明质酸。
[0010]进一步的，所述正电极采用石墨、镁、锰、铁、镍、铅、铜、银、铂或金，所述负电极采用锂、铝、锰、锌、镉或铁。
[0011]进一步的，所述柔性衬底采用聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚氨酯(PU)。
[0012]上述柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0013]步骤1、对柔性基底进行真空等离子清洗，并在清洗后柔性基底上制作正电极与负电极；
[0014]步骤2、分别制备MXene纳米片分散液与酸性粘多糖分散液，再将二者以2:1质量比混合得到柔性MXene/酸性粘多糖复合材料分散液；
[0015]步骤3、将柔性MXene/酸性粘多糖复合材料沉积于正电极与负电极之间的沟道内，形成敏感活性层；再进行干燥处理并引出电极，得到柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器。
[0016]进一步的，步骤2中，MXene纳米片分散液的制备方法包括氢氟酸(HF)或可生成HF的间接溶液刻蚀；然后，采用四甲基氢氧化铵(TMAOH)、四丁基氢氧化铵(TBAOH)、四丙基氢氧化铵(TPAOH)，二甲基亚砜(DMSO)等有机大分子碱溶液进行插层。
[0017]进一步的，步骤2中，通过机械混合、原位生长等工艺制备柔性MXene/酸性粘多糖复合材料分散液。
[0018]进一步的，步骤3中，沉积工艺包括：涂料笔涂覆、喷涂或滴涂工艺制备单层或多层薄膜。
[0019]基于上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：
[0020]1.本专利技术提出一种柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器，将正电极与负电极设置于柔性衬底上表面、且二者之间形成敏感沟道，再将MXene纳米片/酸性粘多糖复合材料作为敏感活性层填充于沟道内，从而制备得到具有湿度敏感与发电双重功能的器件；针对MXene纳米片/酸性粘多糖复合材料，基于MXene材料优异的导电性、多糖有机物的亲水特性与机械强度、以及二者耦合形成的三维纳米结构能够显著增强敏感活性层对水分子的吸附能力与吸附位点，敏感活性层上吸附水分子后电离产生正、负离子，从而在正、负电极处发生氧化还原反应，实现原电池工作机制，进而实现自供电湿度检测，即本专利技术电压型湿度传感器不需要额外的外部电源及外部驱动力，能够在湿度环境下自发产生电压信号，具有绿色环保、节能、低功耗的显著优点。
[0021]2.本专利技术提出的柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器能够实现宽检测范围(10.9％
‑
91.5％ RH)、快速的响应(响应时间11.7s)与快速的恢复(恢复时间2.8s)，且具有良好的柔性。
附图说明
[0022]图1为本专利技术中柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器的结构示意图。
[0023]图2为本专利技术实施例中MXene纳米片/酸性粘多糖复合材料的扫描电镜(SEM)图。
[0024]图3为本专利技术实施例中的柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器的电压
‑
相对湿度(RH)曲线图。
[0025]图4为本专利技术实施例中的柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器的响应
‑
恢复时间曲线图。
[0026]图5为本专利技术实施例中柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器的重复性曲线图。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对实施例中技术方案进行清楚、完整地描述。
[0028]实施例1
[0029]本实施例提供一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器，包括：柔性衬底(1)、正电极(2)、负电极(3)与敏感活性层(4)；其特征在于，所述正电极与负电极设置于柔性衬底上表面、且正电极与负电极之间形成沟道，所述敏感活性层填充于沟道内，敏感活性层吸附水分子后电离出正、负离子，在正、负电极处形成电势差；所述敏感活性层采用MXene纳米片/酸性粘多糖复合材料。2.按权利要求1所述柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器，其特征在于，所述沟道的宽度为0.1～1mm。3.按权利要求1所述柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器，其特征在于，所述MXene纳米片采用Nb2CT
x
纳米片、Ti3C2T
x
纳米片或Ti2CT
x
纳米片，其中，T
x
代表末端官能团。4.按权利要求1所述柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器，其特征在于，所述酸性粘多糖采用透明质酸。5.按权利要求1所述柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器，其特征在于，所述正电极采用石墨、镁、锰、铁、镍、铅、铜、银、铂或金，所述负电极采用锂、铝、锰、锌、镉或铁。6.按权利要求1所述柔性MXene复合酸性粘多糖基电压型湿度传感器，其特征在于，所述柔性衬底采用聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：太惠玲，赵秋妮，张明祥，蒋亚东，段再华，袁震，张搏宇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：