灵活的MXene/竹纤维素气凝胶膜湿度传感器，用于非接触式监测人体健康信号

《Diamond and Related Materials》：Flexible MXene/bamboo cellulose aerogel membrane humidity sensor for non-contact monitoring of human health signals

柔性湿度传感器开发：基于MXene/竹纤维素气凝胶膜的高灵敏度与稳定性研究，通过真空过滤和冷冻干燥工艺构建多孔结构，利用竹纤维素吸湿膨胀调控MXene层间距实现电阻响应，灵敏度达2.46%/%RH，响应时间260秒，适用于非接触式生理信号监测。

　　

王云龙|龚国忠|李浩宇|刘书琪|王国远|秦文峰|谢佳宇|李春生

中国民用航空飞行大学航空工程学院，中国广汉

摘要

在柔性电子领域，开发出在灵敏度、稳定性和柔韧性之间取得良好平衡的高性能柔性湿度传感器仍然是一个重大挑战。本研究提出了一种基于MXene/竹纤维素纤维（BCFs）气凝胶膜的柔性湿度传感器，用于人体健康监测。该传感器通过真空过滤和冷冻干燥工艺制备，形成多孔气凝胶结构。利用BCFs的吸湿膨胀特性有效调节MXene的层间距，从而实现对湿度变化的电阻响应。实验结果表明，该传感器的灵敏度为2.46%/% RH（即湿度每变化1%，传感器的电阻变化率为2.46%），响应时间和恢复时间分别为260秒和282秒。该设备在多次吸附-解吸循环后以及暴露于环境环境中14天后仍能保持稳定的性能。此外，它已成功应用于非接触式生理信号监测，包括呼吸、指尖湿度和语音识别，显示出在柔性电子和实时健康监测系统中的广泛应用潜力。

引言

湿度传感器技术使机器能够感知和响应环境变化，是现代智能设备和物联网系统中的关键组件。随着智能时代的进步，湿度传感器不仅被广泛应用于农业和工业环境监测，还应用于医疗健康监测和智能可穿戴设备。这些领域的快速发展对实时监测人体生理信号（如皮肤湿度和呼吸模式）提出了更高要求，从而推动了湿度传感能力的显著提升。

传统的湿度传感器无法满足可穿戴应用中对舒适性、柔韧性和适应性的要求，导致在监测生理信号时的性能不佳。此外，这些传感器往往不可降解或难以在生命周期结束时回收，造成严重的环境污染。因此，迫切需要开发出具有柔韧性、高灵敏度和环境友好性的传感器，以满足人体生理信号监测的需求。

已经探索了多种导电材料用于制造湿度传感器，包括复合材料、聚合物、金属氧化物等。近年来，二维材料因其优异的机械、化学和电子性能以及高表面积与体积比而受到广泛关注，成为湿度传感研究的热点[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。其中，MXene作为一种重要的二维层状材料，因其优异的电导率和丰富的表面官能团而受到广泛关注，已在压力、温度和应变传感器中得到广泛应用[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。尽管MXene具有许多亲水官能团，但纯MXene存在脆性和机械韧性差的问题，限制了其在复杂条件下的适用性[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。为了提高结构柔韧性，可以将聚合物和纤维素材料等弹性成分掺入MXene基复合材料中。竹纤维素纤维（BCFs）作为一种天然纤维材料，具有优异的机械强度、柔韧性、生物相容性以及易于制备和降解的优点，从而减轻了传统传感器带来的环境问题[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。此外，BCFs具有高亲水性和吸湿性，与MXene结合后能显著提高复合材料的吸湿能力，有助于开发高性能的可穿戴湿度传感器[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。

常见的湿度传感器包括基于膜的材料、基于水凝胶的材料和基于气凝胶/泡沫的材料等。然而，传统的MXene-纤维素复合膜孔隙率较低，MXene层之间的紧密堆叠阻碍了水分的有效扩散，限制了传感器的灵敏度。此外，基于水凝胶的湿度传感器机械强度低，在机械应力下容易发生结构损坏[8]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。而基于MXene的气凝胶或泡沫由于其高孔隙率和超轻重量，在湿度传感应用中展现出巨大潜力。冷冻干燥是目前制备MXene基气凝胶的常用方法，通过调节冷却参数（如温度、速率和方向）可以精确控制微观纳米结构，从而形成有序的三维结构[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。尽管已有许多研究探讨了MXene在复合湿度传感器中的应用，但现有复合材料仍面临制备工艺复杂或可能对人体健康造成危害等问题[40]、[41]、[42]、[43]。因此，亟需开发更高效、环境友好的材料以实现高灵敏度的湿度传感性能[44]、[45]、[46]、[47]。

在我们之前的工作中，通过将MXene和BCFs的混合溶液在TPU上真空过滤制备了湿度传感器[22]。然而，作为不可降解材料，TPU的生产依赖于不可再生的化石燃料，这与可持续发展的方向相悖。因此，本研究采用基于气凝胶的复合方法，利用真空过滤和冷冻干燥技术将竹纤维素纤维（BCFs）集成到MXene层中，从而提高了工艺的环境可持续性。此外，BCFs的水诱导膨胀效应有效增加了MXene的层间距，调节了传感器对湿度变化的响应。所制备的MXene/BCF气凝胶膜传感器具有环境可持续性特征和稳定的湿度响应行为，灵敏度为2.46%/% RH，响应时间和恢复时间分别为260秒和282秒。系统研究了MXene/BCF气凝胶膜的湿度传感性能、微观结构和传感机制。该传感器在监测人体呼吸、指尖湿度和文本识别方面表现出优异的性能，显示出在柔性电子设备中的非接触式传感应用潜力。

材料

氢氧化钠（NaOH）、尿素、环氧氯丙烷、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、盐酸和氟化锂（LiF）由成都科隆化工有限公司提供；Ti3AlC2由北京福斯特科技有限公司提供；竹纤维素纤维（BCFs，806 DP）购自四川天竹竹资源开发有限公司（中国宜宾）。导电银浆由广州凯翔电子有限公司提供。所有试剂均具有高质量。

MXene/BCFs气凝胶膜的表征

MXene/BCFs气凝胶膜是通过将MXene/BCFs的均匀分散液真空过滤到膜上，然后进行真空冷冻干燥制备的，详细制备过程如图1所示。BCFs作为对湿度敏感的材料，MXene作为对电敏感的材料，当BCFs吸收水分后MXene膨胀，导致MXene的电阻发生变化。

结论

MXene/BCFs气凝胶膜湿度传感器通过真空过滤和冷冻干燥两步工艺制备，水分子通过类似孔道的通道传输，并被BCFs捕获或解离，从而改变MXene层的间距。所制备的湿度传感器的灵敏度为2.46%/% RH，响应时间为260秒，恢复时间为282秒。

CRediT作者贡献声明

王云龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，资金获取。龚国忠：方法学研究，实验研究。李浩宇：方法学研究，实验研究。刘书琪：方法学研究，实验研究。王国远：方法学研究，实验研究。秦文峰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源获取，资金获取。谢佳宇：资源获取，资金获取。李春生：资源获取，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。我代表我的合作者声明，本研究是原创性工作，尚未在其他地方发表或部分发表。所有列出的作者均已批准附上的手稿。

致谢

本工作得到了“通用航空飞机飞行控制系统关键技术研究”（项目编号：25CAFUC03026）、“老化通用航空飞机结构和系统的健康评估与维护决策”（项目编号：U2433213）以及“通用航空飞机关键部件的智能（增材）制造核心技术研究与工程实践”（项目编号：24CAFUC01006）的财政支持。