【摘 要】
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湿度检测在农业、工业生产、食品储存、医学、军事等领域都产生了重要影响。在当下,为了适应环境和社会生活的需要,设计出性能优异的湿度传感器迫在眉睫。近些年来,科研人员在湿敏材料和器件结构等方面不断创新。随着湿度传感器的性能和测试技术水平日益提升,使得现在的一些商用传感器已经基本能够满足人们日常生活的需要。然而,随着国家大力发展5G技术和物联网技术,新一代的传感器正在朝着智能化、便携化、可穿戴化发展,对
【基金项目】
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国家自然科学基金（62004059）； 河北省自然科学基金（F2020202050）；
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湿度检测在农业、工业生产、食品储存、医学、军事等领域都产生了重要影响。在当下,为了适应环境和社会生活的需要,设计出性能优异的湿度传感器迫在眉睫。近些年来,科研人员在湿敏材料和器件结构等方面不断创新。随着湿度传感器的性能和测试技术水平日益提升,使得现在的一些商用传感器已经基本能够满足人们日常生活的需要。然而,随着国家大力发展5G技术和物联网技术,新一代的传感器正在朝着智能化、便携化、可穿戴化发展,对湿度的响应也有了更高的要求。本论文从二维湿敏材料的设计、合成以及湿度传感器的制备等角度开展研究工作,并且对湿度传感器在呼吸监测、无线通信、非接触感应、语音识别等领域进行初步探索。本文的主要研究内容包括:1、金属有机骨架（MOF）具有孔隙率高、比表面积大、优越的可调性能被广泛应用到湿度传感器领域,然而,单一的MOF材料导电性及稳定性较低,限制其在MOF湿度传感器领域的应用。本论文通过自上而下的水热法制备了钴基MOF材料,通过可再生且对环境友好的植酸（phytic acid）修饰构建有效、丰富的氢键网络,由磷酸基团所构成的小分子释放游离质子,其中质子供体对MOF骨架具有强大的破坏效果,经过一连串的反应后Co-MOF的电导率和亲水力显著增加。Co-MOF@PA湿度传感器对湿度变化表现出高灵敏度、较快的响应恢复特性、以及优异的重复性和稳定性。响应时间和恢复时间分别为179 s和27 s,灵敏度超过10~3（95%RH）。Co-MOF@PA传感器具有良好的柔韧性和湿度传感特性,在实时面部呼吸监测、化妆品保湿效果检测、水果新鲜度测试等方面具有多功能应用,为下一代商用人体和环境传感器提供新思路。2、氧化石墨烯（GO）传感器由于具有较大面积的比表面积、良好稳定的电子传输处理能力及生物兼容性和高的亲水特性,是用于构建湿度传感器的理想碳材料。但是基于GO的湿度传感器具有灵敏度低的特点,需要在GO表面适当的引入官能团,通过表面改性来改善湿度传感性能。纤维素是迄今地球上含量最丰富的水溶性有机复合物,具有相对较高的生物兼容性和易降解性,是修饰石墨烯的理想材料。本章节通过一步法制备细菌纤维素（BC）和氧化石墨烯复合材料,Na离子成功嵌入复杂的BC网络中,有效提高了BC-GO的传感性能。BC-GO具有超纤维网络和丰富的亲水基团,在在23%-95%RH下表现出良好的湿度响应,灵敏度约为315;响应/恢复时间分别为40 s和27 s。BC-GO的高灵活性、湿度敏感性使其应用在语音识别、无线通信和人体呼吸检测等领域,为人机交互提供潜在的应用前景。
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