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研究背景

相對濕度 (RH) 作為干燥技術(shù)、食品加工、生物醫(yī)學(xué)以及農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵指標(biāo)，其重要性不言而喻。

濕度傳感器作為一種能夠檢測各類環(huán)境中相對濕度的便捷設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。在實際應(yīng)用場景中，濕度傳感器需具備高靈敏度、高選擇性、快速的響應(yīng)與恢復(fù)速度，以及長期的穩(wěn)定性和良好的可重復(fù)性等特性。然而，當(dāng)前濕度傳感器面臨的一項重大挑戰(zhàn)在于，如何在實現(xiàn)快速響應(yīng)與恢復(fù)的同時，保證較小的濕滯后。

在眾多金屬氧化物里，氧化鋅 (ZnO) 憑借其獨特的化學(xué)、光學(xué)和電子特性，在濕度傳感領(lǐng)域嶄露頭角。但傳統(tǒng)的 ZnO 濕度傳感器存在濕滯較大的缺陷，且其響應(yīng)傳感性能有待進(jìn)一步提升。

研究內(nèi)容

近日，北京化工大學(xué)郭影教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊，為克服 ZnO 濕敏滯后大的弊端并增強(qiáng)其濕敏性能，運(yùn)用靜電紡絲技術(shù)與高溫煅燒處理相結(jié)合的方法，成功制備出一種一維 Ag 摻雜的 ZnGa?O?/ZnO 復(fù)合納米纖維 (ZG-Ag)，該材料具有高比表面積和高電導(dǎo)率的特性。實驗結(jié)果顯示，這種復(fù)合納米纖維在室溫下展現(xiàn)出了極為優(yōu)異的濕度傳感性能。

Figure 1. Ag 摻雜的 ZnGa?O?/ZnO 復(fù)合納米纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及性能圖

在該研究工作中，通過對 Ag 的摻雜量進(jìn)行優(yōu)化，使得 ZG-Ag 復(fù)合材料具備了響應(yīng)迅速、濕滯微小、響應(yīng)恢復(fù)快速等顯著優(yōu)點，其響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別僅為 2.2 s 和 1.5 s。

ZG-Ag 之所以具有如此優(yōu)異的濕敏性能，主要歸因于以下三點：1.其一維納米纖維結(jié)構(gòu)賦予了其較大的比表面積；2.多孔結(jié)構(gòu)為其提供了更多的氧空位，進(jìn)而增強(qiáng)了對水分子的敏感性；3.銀離子的摻雜極大地提高了材料的導(dǎo)電性。綜上所述，在ZnGa?O?/ZnO 復(fù)合納米纖維中進(jìn)行銀摻雜，可顯著提升其濕敏性能，這使得該材料有望在未來人體呼吸監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

相關(guān)成果以 “High-performance humidity sensor based on Ag-doped ZnGa?O?/ZnO composite nanofibers”(《基于 Ag 摻雜 ZnGa?O?/ZnO 復(fù)合納米纖維的高性能濕度傳感器》)為題，在英國皇家化學(xué)會期刊 RSC Applied Interfaces 上發(fā)表。