基于Cu/(纤维素纳米晶/NaCl)/Zn结构的自驱动电化学湿度传感器及其在呼吸频率检测中的应用

推荐：研究人员针对传统湿度传感器依赖外部电源、低湿区响应差的问题，开发了基于纤维素纳米晶(CNC)/NaCl的自驱动电化学湿度(ECH)传感器。该传感器以Cu/Zn为电极，实现了10.9%–91.5% RH的宽检测范围、27/22 s的快速响应/恢复速度，并在91.5% RH下输出0.62 V电压和4.48 μW功率，成功应用于呼吸频率监测，为可穿戴医疗设备提供了新思路。

　　

湿度监测在医疗、农业和工业等领域至关重要，但传统湿度传感器需要外部电源，且低湿度环境下性能受限。尤其呼吸频率检测等医疗场景中，亟需兼具高灵敏度和自供电能力的传感器。近年来，基于纤维素纳米晶(CNC)的材料因其优异亲水性和纳米结构成为研究热点，但如何将其与电化学传感结合仍具挑战。

电子科技大学的研究团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表论文，提出了一种创新解决方案：以Cu/(CNC/NaCl)/Zn结构构建自驱动电化学湿度(ECH)传感器。该研究通过SEM、EDS和接触角测试表征材料特性，采用电化学工作站评估传感器性能。结果表明，CNC/NaCl的纳米纤维结构（图2a）和快速润湿性（接触角4秒内从34°降至7.6°）显著提升了湿度响应。传感器在10.9%–91.5% RH范围内表现优异，41.1%–91.5% RH区间呈良好线性，91.5% RH时输出0.62 V电压、20 μA电流和4.48 μW功率。四传感器串联可产生2.5 V电压，满足低功耗设备需求。

材料与表征
研究选用4 wt% CNC溶液与NaCl混合制备湿度敏感材料，通过滴涂法在Cu/Zn电极（间距0.5 mm）间形成功能层。SEM显示材料表面粗糙（图2b-c），EDS证实C、O、Na、Cl等元素均匀分布（图2d）。

湿度传感性能
传感器在25°C下实现27/22 s的快速响应/恢复，归因于CNC的纳米级孔隙和NaCl的离子增强效应。相比前期纤维素纸基传感器，CNC/NaCl在低湿区（<40% RH）响应提升显著。

发电性能
电压/电流输出与湿度呈正相关，91.5% RH时最大功率达4.48 μW。研究指出Zn电极优于Al电极，因Al₂O₃钝化层会抑制电化学反应。

应用验证
通过模拟呼吸实验，传感器成功捕捉不同呼吸频率（12-30次/分钟）对应的湿度波动，证实其在可穿戴健康监测中的潜力。

该研究创新性地将CNC材料与电化学传感结合，解决了自供电湿度传感器在宽范围检测和低湿响应的技术瓶颈。Zaihua Duan团队提出的Cu/(CNC/NaCl)/Zn结构为无源医疗电子设备开发提供了新范式，其材料策略和器件设计对柔性电子、环境监测等领域具有重要参考价值。