一：研究背景

湿度检测与调控在人类生活及电子产品运行中至关重要，广泛应用于多领域，且人体湿度作为生物标志物为可穿戴数字医疗技术发展提供支持，因此高性能湿度传感器的开发备受关注。

纤维素因分子链含丰富亲水性基团、具备良好吸水和溶胀性能，成为绿色湿度传感器的理想材料。其可通过多种途径实现传感，电阻式传感器因结构简单等优势潜力大。不过，纤维素本身不导电，常需与如碳纳米管、聚吡咯等导电材料复合来提升导电性，导电机理包括电子和离子导电。湿敏材料需具备亲水性、导电性和可薄膜沉积特性，纳米材料因大比表面积和高孔隙率在湿度传感中表现优异。传统纤维素基湿度传感器多为二维材料，为提升其性能，可将纤维素纳米化暴露更多羟基并设计纳米纤维结构，或添加亲水性物质增强湿敏性。

静电纺丝技术是制备纳米纤维的高效方法，具有设备简单等优点。LiCl 作为稳定离子化合物，在湿度变化时能通过吸、解吸水改变电阻，是离子导电型湿度传感器的优质电解质材料。本研究基于此，通过静电纺丝制备 LiCl / 纤维素纳米纤维膜，用于组装高性能湿度传感器，推动可穿戴电子技术发展。

​

二：研究摘要

本文研究了一种基于静电纺丝技术制备的LiCl/纤维素纳米纤维（LCNF）膜的高性能湿度传感器。纤维素因其丰富的亲水基团和良好的吸水性被认为是一种理想的绿色湿度传感材料。然而，传统的纤维素基湿度传感器在检测范围、灵敏度和响应时间方面存在局限性。本研究通过在DMAc/LiCl溶剂体系中溶解纤维素并进行静电纺丝，成功将LiCl固定在纤维素纳米纤维中，制备了超薄的LCNF膜。LiCl的强亲水性显著增强了纤维素纤维在低湿度条件下的湿度传感性能，使传感器具有高达4191%的灵敏度和5-98%相对湿度的宽检测范围。纳米纤维的尺寸效应和膜的大孔隙结构加速了空气与膜之间的水分交换，赋予了传感器快速的响应（99秒）和恢复时间（110秒）以及低滞后（2.9%）。此外，该传感器在长期使用（>30天）、极端温度变化（73.6℃至0.1℃）和数千次弯曲循环后性能依然稳定。其优异的性能使其在非接触式湿度检测、呼吸监测和睡眠呼吸暂停检测等领域具有广阔的应用前景，为可穿戴电子技术的发展提供了新的解决方案。

三：核心内容

（1）高性能LiCl/纤维素纳米纤维（LCNF）膜的制备

实验中，首先将硬木浆通过机械打浆分散并干燥，随后在不同质量比的DMAc/LiCl溶剂体系中溶解，制备出不同LiCl浓度的纤维素溶液。通过静电纺丝工艺，将纤维素溶液加工成超薄的纳米纤维膜，其中LiCl均匀分布在纤维素纳米纤维中。最终，将制备好的LCNF膜切割成矩形，并在其两端固定铜箔作为电极，组装成湿度传感器。实验结果表明，LCNF膜具有优异的柔韧性和亲水性，其纤维均匀分布且直径在纳米级别，这些特性使得组装的湿度传感器具有高灵敏度、快速响应和低滞后等优异性能。

图 1. (a) LCNF 膜制备过程的示意图；(b) LCNF 湿度传感器在呼吸监测和非接触湿度检测中潜在应用演示的卡通图像。

图 2. (a) LCNF08 膜的图片；(b) LCNF08 膜的柔韧性、可折叠性和厚度；(c-f) LCNF07、LCNF08、LCNF09 和 LCNF10 膜的扫描电子显微镜(SEM)图像；(g-j) LCNF07、LCNF08、LCNF09 和 LCNF10 膜的直径分布；(K) CNF 膜和 LCNF08 膜的动态接触角；(l) LCNF07、LCNF08、LCNF09 和 LCNF10 膜中元素 Cl 的能谱分析(EDS)；(m) LCNF08 膜的孔径分布。

（2）温度传感器的测试和性能分析

为了评估制备的湿度传感器的性能，实验中构建了不同相对湿度（RH）的环境，这些环境是通过饱和盐溶液来实现的，涵盖了从干燥环境（0% RH）到接近饱和湿度（98% RH）的广泛范围。传感器的电流特性在不同湿度水平下被测量，测试电压设定为1V。实验中定义了灵敏度、响应/恢复时间以及滞后等性能指标，以全面评估传感器的性能。测试结果显示，LCNF08传感器在整个湿度范围内表现出高灵敏度，其电流变化超过4191%，响应和恢复时间分别为99秒和110秒，显示出快速稳定的响应特性。此外，该传感器在长期使用（超过30天）、极端温度变化以及数千次弯曲循环后性能依然稳定，表现出优异的重复性和稳定性。这些结果表明，LCNF08湿度传感器具有高灵敏度、快速响应、低滞后和良好的机械稳定性，适用于实际应用中的非接触式湿度检测、呼吸监测和睡眠呼吸暂停检测等领域。

图3. 制备的 LCNF 湿度传感器的湿度敏感性能表征：(a) 0 % RH 时 LCNF 传感器的电流-电压（I-V）曲线；(b) 制备的 LCNF 传感器的灵敏度随相对湿度（RH）的变化；(c) LCNF08 传感器在 5 %至 31 %，57 %，75 %和 98 % RH 之间的动态响应和恢复曲线。每个吸附或解吸过程的采样时间为 300 秒；(d) LCNF08 传感器在 5 %至 98 % RH 之间的响应和恢复曲线；(e) LCNF08 传感器的滞后曲线；(f) LCNF08 传感器从 5 % RH 到 98 % RH 的重复性；(g) LCNF08 在 30 天内的长期稳定性；(h) LCNF08 的灵敏度与传感器厚度的关系；(i) LCNF08 传感器与其他纤维素衍生的湿度传感器湿度敏感性能的比较。

图4. LCNF08 传感器在弯曲状态下的湿度传感特性：(a) LCNF08 传感器在不弯曲处理、弯曲处理 1.5 cm 和 1 cm 状态下的电流和相对湿度曲线；插图显示了 LCNF08 传感器的弯曲处理示意图；(b) 5%至 57%RH 测量范围内 LCNF08 传感器在弯曲状态下的动态响应和恢复曲线；(c) 5%至 98%RH 测量范围内 LCNF08 传感器在弯曲状态下的响应和恢复曲线；(d) 弯曲 1.5 cm 后(e)弯曲 1 cm 后 LCNF08 传感器在 5%至 98%RH 之间的响应和恢复曲线；(f) LCNF08 在 1 cm 弯曲后经过 200、500 和 1000 次循环的响应；(g) LCNF08 膜的应力-应变曲线；(h) 不同拉伸状态的示意图；(i) 不同拉伸状态下 LCNF08 传感器在 5%至 98%RH 之间的响应和恢复曲线。

四：研究结论

通过一步静电纺丝将 LiCl 固定于纤维素纳米纤维，成功制备了用于组装高性能湿度传感器的 LiCl / 纤维素纳米纤维膜。得益于纤维素纳米纤维、微孔网络结构以及 LiCl 与纤维素的协同作用，该 LCNF 湿度传感器具备高灵敏度、宽检测范围、快速响应 / 恢复时间和低滞后性的优势。与先前文献报道的同类传感器相比，其在检测范围和灵敏度方面表现更为出色。同时，该传感器在长期应用、高低温环境以及大量弯曲循环下性能稳定，并且在非接触式湿度检测、呼吸检测和睡眠呼吸暂停检测等实际应用领域具有可行性。本研究成果为未来湿度传感器的应用和发展提供了坚实基础。

查阅链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158018