人們生活中頻繁使用的便攜式電子設(shè)備顯示出自供電系統(tǒng)的重要性。在這方面,，摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）由于其設(shè)計(jì)的多樣性和高功率輸出而引起了廣泛關(guān)注,。作為TENG電極中廣泛使用的材料，聚二甲基硅氧烷（PDMS）顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),，例如電子親合性,、柔性和易于制造。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,，近日,，為了實(shí)現(xiàn)基于TENG的主動(dòng)濕度感測(cè)，謝里夫理工大學(xué)（Sharif University of Technology）的研究人員提出了一種增強(qiáng)PDMS親水性的簡(jiǎn)單方法,，其包括兩種并行工藝：1,、孔隙率誘導(dǎo)；2,、碳納米管（CNT）復(fù)合,。上述兩種工藝都是在合成過程中通過加水進(jìn)行的，這不僅完全安全（與類似的發(fā)泡/復(fù)合路線相比）,，而且適用于各種納米材料,。與裸電極相比,，將改性電極用作基于TENG的單電極濕度傳感器顯著提高了傳感響應(yīng)（從56%到108%）,。此外，環(huán)境濕度的檢測(cè)范圍擴(kuò)大到80%,。所制備的基于CNT-PDMS泡沫（foam）的濕度傳感器不僅具有優(yōu)異的傳感特性,，而且由于其重量輕和理想的自供電，在便攜式應(yīng)用領(lǐng)域顯示出巨大的前景,。
在這項(xiàng)研究中,，為了降低PDMS的疏水性，將CNT做成一種水溶液加入到聚合物中,。在這種方法中,，由于納米材料會(huì)被PDMS包圍，因此在水溶液中添加納米材料是可行的,，從而形成生物相容性表面,。CNT-PDMS多孔電極的制備過程如下圖所示，由于CNT是親水性的,，有助于水滴更有效地分散在聚合物中,，因此在捕獲的水分蒸發(fā)后會(huì)產(chǎn)生更高的孔隙率。
CNT-PDMS多孔電極的制備步驟示意圖
在PDMS網(wǎng)絡(luò)和CNT-PDMS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部形成包含水分子的孔,，其中作為水分子分離劑的CNT的存在可以產(chǎn)生更小的孔,。
為了研究CNT-PDMS電極的TENG性能,，研究了三種單電極TENG的輸出電壓和電流?；谥旅躊DMS,、多孔PDMS和CNT-PDMS的TENG的輸出電壓平均值分別為35±19V、30±13V和27±15V,。類似地,，與產(chǎn)生最大峰值約為3A的多孔電極相比，致密PDMS的平均輸出電流更高（4.1A）,。由于電流最大峰值的變化比電壓稍小,，所以通過記錄輸出電流來進(jìn)行濕度感測(cè)。
基于致密PDMS,、多孔PDMS和CNT-PDMS的TENG產(chǎn)生的電壓和電流
隨著環(huán)境濕度的增加,，電極的表面電荷密度逐漸減小。對(duì)于致密PDMS和多孔PDMS,，電流的減少不會(huì)持續(xù)到較高的相對(duì)濕度（RelaTIve Humidity,，RH）值，而對(duì)于CNT-PDMS,，在整個(gè)RH范圍內(nèi)可以觀察到輸出信號(hào)的減少,。研究人員進(jìn)一步研究了三種單電極TENG自供電傳感器的傳感行為。與純聚合物電極相比,，CNT-PDMS能夠在30%-80%的整個(gè)RH范圍內(nèi)感應(yīng)相對(duì)濕度的變化,。CNT-PDMS電極表現(xiàn)出對(duì)濕度變化的最高響應(yīng)，RH=80%時(shí),，響應(yīng)高達(dá)108%,，這大約是致密PDMS和多孔PDMS最高值（分別為56%和50%）的兩倍。因此,，添加CNT將濕度響應(yīng)提高了100%以上,。
所制備的TENG的傳感行為
本項(xiàng)研究工作的突出特點(diǎn)不僅是由于應(yīng)用了TENG而實(shí)現(xiàn)了自供電，而且由于有源電路設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝置的集成,。此外,，所制備的CNT-PDMS泡沫非常輕且具有柔性，有利于穿戴式/便攜式應(yīng)用,。與以前基于PDMS,、CNT或TENG的聚合物傳感器的研究相比，研究人員所開發(fā)的濕度傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間是可觀的（約2秒）,。
多孔PDMS和CNT-PDMS的動(dòng)態(tài)響應(yīng),，顯示濕度傳感的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。
總之,，研究人員提出了通過添加CNT來制備PDMS基泡沫的方法,。所獲得的電極的傳感特性非常突出：響應(yīng)為108%（提高了100%以上）,；RH范圍擴(kuò)大到80%；響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間保持在約2秒,。所提出的基于PDMS的自供電濕度傳感器在便攜式電子設(shè)備以及工業(yè)應(yīng)用中極具前景,。
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