DOI:10.1016/j.snb.2020.128286

在这项工作中，研究者通过将石英晶体微天平（QCM）平台与聚乙烯亚胺（PEI）接枝的聚丙烯腈（PAN）纳米纤维垫（即PAN/PEI纳米纤维）集成为活性层，设计出了混合型湿度传感器。使用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和傅立叶变换红外（FTIR）光谱仪对所制备的器件进行了表征，分别研究了其形态、粗糙度和分子组成。为了了解湿度传感机理，针对水分子在纳米纤维上的吸附和解吸过程建立了指数动力学模型。当传感器暴露于大于60％rH的相对湿度（RH）时，活性层的粘弹性开始增加。在室温（30±1）℃下进行的湿度暴露评估期间，PAN/PEI纳米纤维功能化QCM传感器表现出高达164Hz/％rH的灵敏度，响应和恢复时间分别为13和7s。此外，它们还提供了高选择性、长期稳定性以及低误码率的出色重复性。与其他现有的涂覆有各种材料（例如，金属氧化物、碳和聚合物）的QCM基湿度传感器相比，该研究制备的独特的电纺PAN/PEI纳米纤维毡功能化QCM传感设备在灵敏度和响应度方面均表现出最优异的性能。这可以为高性能、低成本的湿度传感器提供替代方案。

图1.（a）聚丙烯腈（PAN）和聚乙烯亚胺（PEI）的化学结构。（b）PAN/PEI纳米纤维涂层石英晶体微天平（QCM）的制备过程和（c）自制湿度传感器测试装置的示意图。

图2.具有两个不同放大倍数（即5000x和10,000x）的QCM传感器电极上的电纺裸PAN和PAN/PEI纳米纤维的SEM图像。

图3.PAN/PEI纳米纤维的AFM图像：（a）3D视图和（b）2D横截面轮廓。

图4.（a）PAN和PEI沉积后，QCM的频移。（b）PAN和PAN/PEI纳米纤维样品的FTIR光谱。

图5.在（a）两种不同的湿度水平（40％和70％rH）和（b）从30％至75％rH的湿度增量范围影响下，所有裸PAN和PAN/PEI纳米纤维涂层QCM传感器的频率变化。（c）PAN/PEI纳米纤维传感器暴露于38％和78％rH的动态响应的一个和（d）十个完整循环。

图6.使用PAN和PAN/PEI纳米纤维表面官能化后的接触角测量结果，证实了在将PEI溶液引入后从疏水性表面到亲水性表面的转变。接触角图片代表用水滴处理过的样品。

图7.受湿度变化和浓度为1000 ppm的各种分析物影响的传感器频移。

图8.基于双峰指数动力学模型的最小二乘拟合，其中该动力学模型针对（a）PAN/PEI纳米纤维涂层QCM传感器在湿度水平为38％至78％rH时的吸附和（b）解吸过程。（c）在20％rH（低=40％rH和高=60％rH）的不同湿度水平下进行长期稳定性测量时，PAN/PEI纳米纤维修饰QCM传感器的频移。（d）所有制备的QCM传感器的耗散位移对应于各种湿度水平。

图9.PAN/PEI纳米纤维传感器在低湿度和高湿度条件下可能的湿度感应机制示意图。