一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器及制備方法與應用

本發明涉及一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器及制備方法與應用，屬于濕度傳感器領域。

背景技術：

1、傳統的傳感器通常基于金屬和金屬氧化物、硫氧化物和石墨烯材料的特性制成，這些材料通常都存在制作工藝復雜、成本高、污染重等問題，并且由于大多數濕度傳感器都是基于電阻、電容組件等，因此需配備外部電源，這限制了設備的使用。

2、滲透能，特別是利用海水和河水之間的鹽濃度差異發電，被認為是解決全球能源危機的關鍵可再生和可持續能源。滲透能系統主要利用海水與河流之間的鹽濃度梯度，通過陽離子或陰離子交換膜的離子傳遞，將滲透壓直接轉化為電能。然而，利用海水和河流之間的天然濃度差來實現發電存在各種各樣的缺點，例如無法找到適合濃度差接口，以及難以實現大規模應用。近年來，滲透能在微能源、生物醫學等領域得到了廣泛的應用。

3、hofs作為一種新型的多孔晶體材料，具有孔結構均勻、比表面積大、孔徑可調、表面改性潛力大等優點，在離子選擇性和滲透能轉化方面具有顯著優勢。hofs均勻分布的氫鍵位點賦予其獨特的性質。由于存在豐富的可逆氫鍵，在高濕度和低濕度條件下，hofs的離子輸運性質差別很大。hofs的離子選擇性傳輸和對濕度刺激敏感的門控離子通道特性使其具有與細胞膜相似的性質。同時，納米材料的無金屬特性增強了其潛在的生物相容性和安全性，為基于這些納米材料的柔性濕度傳感器監測皮膚、手指、汗液和呼吸的濕度提供了重要參考。因此，通過在hofs固體電解質中構建一個濃度梯度，利用hofs的多氫鍵特性，利用離子濃度差異，可以實現有效的濕度傳感。

技術實現思路

1、針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器及制備方法與應用。

2、為了實現上述目的，本發明采用的一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器，包括對稱電極、位于對稱電極一側的hof/cnf電解質膜和位于對稱電極另一側的hof/cnf?/nacl電解質膜，所述hof/cnf電解質膜與hof/cnf/nacl電解質膜相接觸；

3、所述對稱電極為ti3c2tx-?mxene電極，hof為以1,2,4,5-四(4-羧基苯基)苯為前驅體合成的氫鍵有機框架材料。

4、作為改進的，所述hof/cnf電解質膜為hof-h4tcpb和cnf-c形成的固態電解質膜。

5、作為改進的，所述hof/cnf/nacl電解質膜為hof-h4tcpb、cnf-c和nacl形成的固態電解質膜。

6、作為改進的，所述hof/cnf電解質膜與hof/cnf/nacl電解質膜形成2-5?mm的重疊。

7、本發明的第二方面，還提供了一種所述的基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器的制備方法，包括以下步驟：

8、（1）制備對稱電極；

9、（2）取hof/cnf電解質溶液滴加在對稱電極的一個電極上，滴鑄完成后放入真空干燥箱干燥；

10、（3）取hof/cnf/nacl電解質溶液滴加在對稱電極的另一個電極上，滴鑄完成后放入真空干燥箱干燥。

11、作為改進的，所述步驟（1）具體為：將ti3c2tx-?mxene溶液抽濾成膜，干燥，將ti3c2tx-?mxene膜激光雕刻成長1-2?cm，寬0.3-0.8?cm的電極。

12、需要說明的是，所述ti3c2tx-?mxene溶液采用市售商品或者常用方法自行制備均可，例如自行制備方法為：首先，將15ml鹽酸和5ml去離子水混合攪拌3min后，稱取1g?lif加入，反應10min，反應期間稱取1g?max原料（分成多份）；待反應完成后，每隔3min加入一份原料，最后一份加入后攪拌10min；然后，攪拌完成后放入水浴鍋（35℃）進行攪拌24h，將反應完成的液體轉移至離心管加去離子水至40~50ml進行離心洗滌操作（3500rpm?5min），反復這一操作直至溶液ph接近中性；將洗滌完成的液體倒入通氣瓶中進行通氣超聲（氬氣，60min）；最后，將超聲完成的液體取出進行離心（3500rpm?5min），得到分層mxene溶液。

13、作為改進的，所述步驟（2）、步驟（3）的干燥溫度為50-70℃，干燥時間為20-40min。

14、作為改進的，所述hof/cnf電解質溶液采用hof-h4tcpb溶液與cnf-c溶液按質量比為1:（0.5-1.5）混合；

15、所述hof/cnf/nacl電解質溶液采用hof-h4tcpb溶液、cnf-c溶液與nacl固體按質量比為1:（0.5-1.5）：（50-250）混合。

16、需要說明的是，所述hof-h4tcpb溶液采用如下方法得到：將一定量的1,2,4,5-四(4-羧基苯基)苯（h4tcpb）溶解在dmf溶液中，超聲至固體分散在dmf溶劑；將所得分散液進一步分散在去離子水中，攪拌；將所得溶液洗滌抽濾成固體膜，標定質量后重新分散為需要的固定濃度的hof-h4tcpb溶液。

17、另外，所述cnf-c溶液采用如下方法得到：將一定濃度的cnf-c溶液加水稀釋。

18、作為改進的，所述hof-h4tcpb溶液的濃度為2-4?mg/ml，cnf-c溶液的濃度為1-3mg/ml。

19、本發明的第三方面，還提供了一種濕度傳感器在柔性可穿戴器件中健康監測或作為濕度發電裝置的應用，所述濕度傳感器為所述的基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器或所述制備方法制得的基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器。

20、為便于更詳細的了解本發明，下面對本發明的機理解釋如下：

21、自供電柔性濕度傳感器的傳感機理可以用不同濕度環境下離子的積累和消耗來解釋。在低濕度環境中，鈉離子的傳輸受阻。相比之下，在高濕度環境中，hof/cnf多孔膜具有優異的親水性，有利于水分子的吸附。水分的吸附導致電解質膜因鹽離子的濃度不同而產生滲透壓，這種滲透壓促進了鈉離子在電解質界面上的遷移運動。此外，帶負電荷的cl離子的遷移被同樣帶負電的hof-h4tcpb膜抑制，從而在電解質膜上產生電位差。這表明，本發明中載流子遷移受鹽離子濃度差的控制。

22、本發明的有益效果在于：

23、1、本發明的基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器，通過調控鹽離子濃度實現了滲透能向電能的轉換，展現出良好的靈活性、低遲滯特性，具有0.17μa/%?rh的高靈敏度，1.06?s的快速響應時間以及200多次循環的穩定性。

24、2、本發明的基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器，不僅可以作為快速響應的高性能濕度傳感器，而且可以作為濕度發電裝置提供較高的電信號輸出。

25、3、本發明的基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器，可以對奔跑和靜止狀態人群的呼吸進行監測。此外，本發明還具有柔性，生物相容性，環境友好等特點，適合應用于開發柔性可穿戴電子器件。

技術特征：

1.一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，包括對稱電極、位于對稱電極一側的hof/cnf電解質膜和位于對稱電極另一側的hof/cnf?/nacl電解質膜，所述hof/cnf電解質膜與hof/cnf/nacl電解質膜相接觸；

2.根據權利要求1所述的一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，所述hof/cnf電解質膜為hof-h4tcpb和cnf-c形成的固態電解質膜。

3.根據權利要求1所述的一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，所述hof/cnf/nacl電解質膜為hof-h4tcpb、cnf-c和nacl形成的固態電解質膜。

4.根據權利要求1所述的一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器，其特征在于，所述hof/cnf電解質膜與hof/cnf/nacl電解質膜形成2-5?mm的重疊。

5.一種權利要求1-4任一項所述的基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.根據權利要求5所述的一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟（1）具體為：將ti3c2tx-mxene溶液抽濾成膜，干燥，將ti3c2tx-mxene膜激光雕刻成長1-2?cm，寬0.3-0.8?cm的電極。

7.根據權利要求5所述的一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器的制備方法，其特征在于，所述步驟（2）、步驟（3）的干燥溫度為50-70℃，干燥時間為20-40?min。

8.根據權利要求5所述的一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器的制備方法，其特征在于，所述hof/cnf電解質溶液采用hof-h4tcpb溶液與cnf-c溶液按質量比為1:（0.5-1.5）混合；

9.根據權利要求8所述的一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器的制備方法，其特征在于，所述hof-h4tcpb溶液的濃度為2-4?mg/ml，cnf-c溶液的濃度為1-3?mg/ml。

10.一種濕度傳感器在柔性可穿戴器件中健康監測或作為濕度發電裝置的應用，其特征在于，所述濕度傳感器為權利要求1-4任一項所述的基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器或權利要求5-9任一項所述制備方法制得的基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器。

技術總結
本發明公開一種基于氫鍵有機框架的自供電柔性濕度傳感器及制備方法與應用，包括對稱電極、位于對稱電極一側的HOF/CNF電解質膜和位于對稱電極另一側的HOF/CNF/NaCl電解質膜，所述HOF/CNF電解質膜與HOF/CNF/NaCl電解質膜相接觸；所述對稱電極為Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;?MXene電極，HOF為以1,2,4,5?四(4?羧基苯基)苯為前驅體合成的氫鍵有機框架材料。本發明的自供電柔性濕度傳感器，通過調控鹽離子濃度實現了滲透能向電能的轉換，展現出良好的靈活性、低遲滯特性，具有0.17μA/%RH的高靈敏度，1.06?s的快速響應時間以及200多次循環的穩定性。

技術研發人員：王思亮,程汪澤,岳陽,溫莉,曾瑋
受保護的技術使用者：安徽大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/13