一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器及其制备方法

本发明涉及传感器，尤其是一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器及其制备方法。

背景技术：

1、湿度传感器是将水蒸气的量转换成可以测量的量的器件，它已被广泛地应用在药物储存、动物养殖、温室大棚、工业生产、农业生产、气象检测、环境保护、军事国防、医疗救护、工业自控等领域。湿敏材料作为湿度传感器的基础和核心，主要是利用吸附效果直接或间接地通过吸附被检测环境中的水分子，使材料的化学或者物理特性产生改变，最终达到对湿度检测的目的。

2、碳纳米材料、导电聚合物、纤维素、半导体金属氧化物及两种或两种以上的复合型材料被广泛用于制造柔性电阻式湿度传感器。尽管大多数以导电聚合物和纤维素作为湿度传感材料制备的柔性湿度传感器具有良好的灵活性和稳定性，但这些传感器通常在低湿情况下不能正常工作以及表现出响应/恢复时间长等问题，不适合于宽范围检测和快速响应的湿度传感器的大规模应用。

3、虽然基于金属氧化物和陶瓷基材料的湿度传感器可检测的量程宽，但在脱水过程中需要加热元件来加速信号恢复，导致高能耗和热安全问题的发生。

4、而基于碳基纳米材料的电阻式湿度传感器，由于其制造工艺简单、信号采集简单、成本低、独特的结构(例如尺寸小、比表面积大和高孔隙率)以及优异的电子特性(电子迁移率高和电干扰高度敏感)，在制造高质量安全、长期稳定湿度传感器方面具有很大的吸引力和竞争力。但是，由于目前报道的这些未改性的纯碳基材料本质上有限的敏感性，很难察觉相对湿度(rh)的微小变化，吸脱附水分子的时间也长，这对湿度传感信号的分析提取和可靠性带来了挑战，造成转化后的数据不确定性的增加。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器及其制备方法，本发明的湿度传感器具有高灵敏度、响应快速以及低湿滞的特点。

2、本发明的技术方案为：一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器，包括衬底、叉指电极、功能化多孔碳湿敏薄膜层，所述的衬底上设置有叉指电极，所述的叉指电极上方涂覆有功能化多孔碳湿敏薄膜层。

3、作为优选的，所述的叉指电极包括多个电极对，且多个所述的电极引出端设置有电极端子，所述的电极端子上还连接有电极引脚。

4、本发明还提供一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

5、s1)、制备功能化多孔碳

6、将多孔碳加入功能化溶剂，在加热条件下搅拌活化，然后洗净离心收集，干燥后研磨得到功能化多孔碳；

7、s2)、制备功能化多孔碳浆料

8、在步骤s1)制备的功能化多孔碳中加入分散剂，并且在超声条件下形成分散均匀的功能化多孔碳浆料；

9、s3)、制备衬底及叉指电极

10、用导电银浆在衬底上采用丝网印刷的印刷叉指电极；或用激光刻板机在覆铜膜衬底上雕刻出梳状叉指电极；

11、s4)、制备柔性湿度传感器

12、将步骤s2)中的功能化多孔碳浆料采用滴涂、旋涂或印刷至叉指电极上，并使其均匀覆盖，然后置于烘箱中干燥成膜，即可得到功能化多孔碳柔性湿度传感器。

13、作为优选的，步骤s1)中，所述的多孔碳包括生物基、木质素基、含炔基、石墨烯基和金属-有机骨架zif-8及其衍生的微孔碳、碳微球、介孔碳、大孔碳及多层孔碳中的一种或多种的组合。

14、作为优选的，步骤s1)中，所述的功能化溶剂包括酸、碱、过氧化物溶液。

15、作为优选的，步骤s1)中，所述的酸为硫酸、硝酸，所述的碱为氯化氢、高氯酸；所述的过氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、过氧化氢。

16、作为优选的，步骤s1)中，所述的活化温度为60～100℃，活化时间为3～6h。

17、作为优选的，步骤s1)中，所述的清洗采用去离子水洗3次，无水乙醇洗1次。

18、作为优选的，步骤s1)中，利用有机骨架zif-8制备功能化多孔碳的方法如下：

19、s11)、制备zif-8晶体

20、称取4～12g的2-甲基咪唑溶解于30～90ml的甲醇中，形成溶液a；

21、称取1.68～5.04g的zn(no3)2·6h2o溶解于20～60ml的甲醇中，形成溶液b；

22、随后将b溶液快速倒入a溶液中，并在室温下搅拌1～3h；结束搅拌后，将溶液盖上保鲜膜室温下放置24h进行沉淀；然后将沉淀物进行离心收集，过程中用先用去离子水(加少量乙醇)洗一次，再用无水乙醇洗三次；

23、最后将得到的沉淀物置于70℃的真空环境下干燥12h，并将干燥后的产物进行研磨，得到zif-8白色晶体粉末；

24、s12)、高温碳化zif-8晶体

25、首先将zif-8白色粉末装入超声洗净的瓷舟内，然后送入管式炉内，在600～1000℃的氮气/氩气氛围下进行高温碳化；自然冷却后，取出研磨(滴入乙醇湿磨)，得到zif-8衍生碳粉末；

26、s13)、取50～100mg的zif-8衍生碳，并加入20～50ml浓度为1mol/l的稀硫酸；在80℃下连续搅拌6h，然后洗净离心收集(去离子水洗3次，无水乙醇洗1次)，并在70℃下真空干燥12h以上，最后研磨得到功能化mofs衍生多孔碳。

27、作为优选的，步骤s2)中，所述的分散剂包括去离子水、无水乙醇、芳香烃类、脂肪烃类、脂肪烃类、酯类、酮类的有机溶剂中的至少任意一种。

28、作为优选的，步骤s2)中，所述的功能化多孔碳浆料的浓度为5～250mg/ml。

29、作为优选的，步骤s3)中，所述的衬底为tpi、pi、lcp和pdms膜。

30、作为优选的，步骤s4)中，所述的干燥成膜温度为60～120℃，时间为30～90min。

31、本发明的有益效果为：

32、1、本发明采用功能化多孔碳，其具有大比表面积、高孔隙率和强吸附性，对其运用相应溶剂进行物理或化学表面活化处理后，可引入亲水性基团、含氧基团等，多孔碳经活化后可明显提高对分子的敏感程度；

33、2、本发明采用功能化多孔碳浆料滴涂或旋涂形成的湿敏碳膜，其与基底可以形成较强的氢键和范德华力相互作用，因此湿敏碳膜可以很好吸附至基底表面，给传感器带来性能稳定的优点；

34、3、本发明是在含叉指电极的基底上覆盖一层用感湿材料制成的感湿层，当空气中的水分子吸附在感湿层上时，器件的电阻值发生变化，正是利用这一特性将非电参量转换成电参量，来测量湿度；

35、4、本发明通过对多孔碳进行功能化改性可增加亲水性基团、含氧官能团，增大其比表面积，提升多孔碳对水分子敏感程度，本发明的湿度传感器湿度的灵敏度高达75.2％。

技术特征：

1.一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器，其特征在于：包括衬底、叉指电极、功能化多孔碳湿敏薄膜层，所述的衬底上设置有叉指电极，所述的叉指电极上方涂覆有功能化多孔碳湿敏薄膜层。

2.根据权利要求1所述的一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器，其特征在于：所述的叉指电极包括多个电极对，且多个所述的电极引出端设置有电极端子，所述的电极端子上还连接有电极引脚。

3.一种用于制备权利要求1或2所述的基于多孔碳的柔性湿度传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s1)中，所述的多孔碳包括生物基、木质素基、含炔基、石墨烯基和金属-有机骨架zif-8及其衍生的微孔碳、碳微球、介孔碳、大孔碳及多层孔碳中的一种或多种的组合。

5.根据权利要求3所述的一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s1)中，所述的功能化溶剂包括酸、碱、过氧化物溶液，其中，所述的酸为硫酸、硝酸，所述的碱为氯化氢、高氯酸；所述的过氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、过氧化氢。

6.根据权利要求3所述的一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s1)中，所述的活化温度为60～100℃，活化时间为3～6h。

7.根据权利要求3所述的一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s1)中，所述的清洗采用去离子水洗3次，无水乙醇洗1次。

8.根据权利要求4所述的一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s1)中，利用有机骨架zif-8制备功能化多孔碳的方法如下：

9.根据权利要求3所述的一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s2)中，所述的分散剂包括去离子水、无水乙醇、芳香烃类、脂肪烃类、脂肪烃类、酯类、酮类的有机溶剂中的至少任意一种。

10.根据权利要求3所述的一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s3)中，所述的衬底为tpi、pi、lcp和pdms膜；

技术总结
本发明提供一种基于功能化多孔碳的柔性湿度传感器及其制备方法，S1)、制备功能化多孔碳；S2)、制备功能化多孔碳浆料；S3)、制备衬底及叉指电极；S4)、制备柔性湿度传感器。本发明的功能化多孔碳具有大比表面积、高孔隙率和强吸附性，对其运用相应溶剂进行物理或化学表面活化处理后，可引入亲水性基团、含氧基团，多孔碳经活化后可明显提高对分子的敏感程度；本发明的湿敏碳膜与基底可以形成较强的氢键和范德华力相互作用，从而增加了传感器的稳定性；本发明通过对多孔碳进行功能化改性可增加亲水性基团、含氧官能团，增大其比表面积，提升多孔碳对水分子敏感程度，本发明的湿度传感器湿度的灵敏度高达75.2％(最大极限值100％)。

技术研发人员：詹云凤,黄永升,陈学敏,胡庆庆,吴豪龙,林芷晴,周善斌,谢毅聪,彭华超,陈冠廷,唐秀凤,罗坚义
受保护的技术使用者：五邑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11