人們生活中頻繁使用的便攜式電子設備顯示出自供電系統的重要性。在這方面，摩擦電納米發電機（TENG）由于其設計的多樣性和高功率輸出而引起了廣泛關注。作為TENG電極中廣泛使用的材料，聚二甲基硅氧烷（PDMS）顯示出獨特的優勢，例如電子親合性、柔性和易于制造。

據麥姆斯咨詢報道，近日，為了實現基于TENG的主動濕度感測，謝里夫理工大學（Sharif University of Technology）的研究人員提出了一種增強PDMS親水性的簡單方法，其包括兩種并行工藝：1、孔隙率誘導；2、碳納米管（CNT）復合。上述兩種工藝都是在合成過程中通過加水進行的，這不僅完全安全（與類似的發泡/復合路線相比），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（從56%到108%）。此外，環境濕度的檢測范圍擴大到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，在便攜式應用領域顯示出巨大的前景。

在這項研究中，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后會產生更高的孔隙率。

CNT-PDMS多孔電極的制備步驟示意圖

在PDMS網絡和CNT-PDMS網絡內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。基于致密PDMS、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行濕度感測。

基于致密PDMS、多孔PDMS和CNT-PDMS的TENG產生的電壓和電流

隨著環境濕度的增加，電極的表面電荷密度逐漸減小。對于致密PDMS和多孔PDMS，電流的減少不會持續到較高的相對濕度（Relative Humidity，RH）值，而對于CNT-PDMS，在整個RH范圍內可以觀察到輸出信號的減少。研究人員進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RH范圍內感應相對濕度的變化。CNT-PDMS電極表現出對濕度變化的最高響應，RH=80%時，響應高達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將濕度響應提高了100%以上。

所制備的TENG的傳感行為

本項研究工作的突出特點不僅是由于應用了TENG而實現了自供電，而且由于有源電路設計而實現了整個裝置的集成。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，研究人員所開發的濕度傳感器的響應和恢復時間是可觀的（約2秒）。

多孔PDMS和CNT-PDMS的動態響應，顯示濕度傳感的響應和恢復時間。

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：響應為108%（提高了100%以上）；RH范圍擴大到80%；響應/恢復時間保持在約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備以及工業應用中極具前景。

編輯：黃飛

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