鄭州大學：研發基于濕氣發電效應的靈敏的濕度傳感器

【鄭州大學：研發基于濕氣發電效應的靈敏的濕度傳感器】

呼吸監測有助于早期發現呼吸暫停、哮喘和心臟驟停等疾病，并可以為日常的健康管理提供指導意見，在降低呼吸系統疾病風險方面。濕度傳感器因其非接觸式的人機交互機制，避免了病毒或細菌的傳播，成為了實現呼吸監測的重要手段。隨著各種新能源模式的發展，如摩擦納米發電機和壓電納米發電機等，通過自供電濕度傳感器實現呼吸監測成為可能。然而，這些方法面臨以下限制：（1）濕度傳感模塊和自供電系統往往是分開的，需要額外集成，不利于設備簡捷化和小型化。（2）高濕度不利于通過摩擦或擠壓引起的靜電產生有效的電信號輸出，需要依賴高精度的封裝。（3） 依賴于人類活動產生的機械能的監測容易受到外部環境的運動干擾，導致傳感器和人體組織活動之間不匹配。因此，對新型自供電濕度傳感器的探索引起了人們的廣泛關注。濕氣發電（MEG）作為一種新興的清潔能源模式，能夠一步將環境水分轉化為電能，這種發電方法與水蒸氣有著固有的關系，為開發具有簡單結構的新型自驅動濕度傳感器提供了可能的途徑。

鄭州大學單崇新教授團隊報道了一種基于石墨相氮化碳（g-CN）薄膜的MEG設備，以實現一體化的自供電濕度傳感。采用氣相傳輸沉積法在多孔陽極氧化鋁（AAO）薄膜上生長形成了富含g-CN納米管的異質膜，基于g-CN/AAO膜的MEG器件可以利用濕氣自發發電，在96%的相對濕度下產生0.47V的開路電壓、3.51μA的短路電流。當相對濕度從41%變化到96%時，響應電流呈指數級增長，響應為1.78×106%（ΔI/I0）。這種對濕度存在固有響應的發電機制可能來源于g-CN/AAO薄膜異質結構誘導的離子梯度。此外，進一步開發了一種基于濕度傳感器的自供電呼吸監測設備，用于監測人體運動和睡眠狀態，其具有近12小時的持續監測能力。這一結果為開發用于智能電子和醫療監測領域的自供電濕度傳感器開辟了新的途徑。