《Microchemical Journal》：High-performance flexible humidity sensors from fluorine-doped laser-induced graphene electrodes for respiration monitoring and non-contact switch applications
编辑推荐：
•成功制备了氟掺杂激光诱导石墨烯（F-LIG）电极。•F-LIG具有有序的多孔结构和较高的亲水性。•由F75%-LIG/GO制备的柔性湿度传感器表现出优异的性能。•F75%-LIG/GO湿度传感器在可穿戴健康监测应用中具有广阔前景。引言湿度传感器能够将环境湿度转换为可用的信号
- •
成功制备了氟掺杂激光诱导石墨烯（F-LIG）电极。
- •
F-LIG具有有序的多孔结构和较高的亲水性。
- •
由F75%-LIG/GO制备的柔性湿度传感器表现出优异的性能。
- •
F75%-LIG/GO湿度传感器在可穿戴健康监测应用中具有广阔前景。
引言
湿度传感器能够将环境湿度转换为可用的信号输出，已广泛应用于农业、食品生产、气象监测、畜牧业等领域[1], [2], [3]。湿度传感器通常由导电电极和湿度敏感材料（如氧化石墨烯[4], [5]、陶瓷[6], [7]、MXene[8], [9], [10]、金属氧化物[11]）组成。通过与水分子的相互作用，在不同湿度环境下会产生电信号输出，例如电阻或电容的变化[12]。随着可穿戴设备和柔性电子的兴起[13]，柔性湿度传感器因其能够适应不同的应用场景而受到越来越多的关注。电极是柔性湿度传感器中至关重要且不可或缺的组成部分。柔性湿度传感器的电极通常以聚合物或纸张作为柔性基底，并通过物理或化学方法在这些柔性基底上沉积湿度敏感材料来制备[14]。为了追求高传感性能，通常采用微加工图案化策略，以增加柔性电极的比表面积[15], [16]。例如，Zhang等人[17]提出了一种基于光固化增材制造技术的石墨烯UV固化直接电子工艺，用于具有出色电响应性能的可穿戴呼吸传感器。Jang等人[18]通过光刻和软刻蚀技术开发了一种纳米柱阵列电极，其具有较大的比表面积，并适用于各种湿度敏感材料。这些微加工技术的应用[19]使得能够精确制备柔性湿度传感电极。然而，先进的制备工艺通常成本高昂且复杂，并且往往伴随环境污染，这极大地限制了其在大规模商业生产中的应用[20]。
近年来，通过激光直写（LDW）方法制备激光诱导石墨烯（LIG）已成为一种简便的图案化方法[21], [22], [23]。LDW技术可以直接照射激光前驱体材料来一步制备LIG电极，无需复杂的设备或实验条件，易于实现图案化，有利于大规模生产[24], [25], [26]。聚酰亚胺（PI）是LIG的优良前驱体材料。激光照射会在PI局部引起急剧升温，导致C
O、C
O和N
O键的断裂，同时碳原子重新组合形成石墨烯层[27], [28]。然而，从商业PI获得的LIG孔隙结构较差，活性位点较少。在我们先前的工作中，通过分子设计引入含氟基团合成了氟化PI（F-PI）[29], [30]。含氟基团在LDW产生的高温瞬间转化为气体逸出，赋予相应的LIG丰富的多孔结构，从而有效增加了LIG的比表面积。然而，F-PI的氟化度对其相应LIG孔隙结构的影响仍不清楚。
本研究采用了一种结合分子结构设计与激光加工技术创新的策略。以F-PI薄膜前驱体为材料，通过LDW方法简便地制备了氟掺杂LIG（F-LIG）电极。这些电极作为沉积GO湿度敏感层的基底，从而制备出高性能的柔性湿度传感器。这种直接制备工艺有效地降低了湿度传感器的生产成本[31]。同时，与无氟LIG相比，适度的氟掺杂不仅产生了有序的多孔结构（比表面积增加了17.7倍），增加了GO的负载量，并为水分子吸附提供了丰富的活性位点，还形成了高极性的半离子C
F键，显著增强了电极的亲水性和电荷传输能力。值得注意的是，在测试的氟化度中，具有最佳氟掺杂的F
75%-LIG/GO湿度传感器表现出宽广的湿度检测范围（11%至97% RH）、高平均灵敏度（2950 pF/% RH）、出色的柔性和长期稳定性（超过30天）。作为概念验证，该柔性湿度传感器成功应用于无线呼吸监测和非接触式开关，展示了其在可穿戴健康监测和卫生人机交互应用中的巨大潜力。
各节摘要
材料
4, 4′-(六氟异丙叉)联苯酐（6FDA纯度≥99%）由中国化工（天津）化工有限公司提供。2,2-双[4-(3,4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐（BPADA，纯度≥97%）购自上海麦克林生化科技有限公司。1,4-双(4-氨基苯氧基)苯（TPE-Q，纯度≥99%）由上海毕得医药科技有限公司提供。N,N-二甲基乙酰胺（DMAc，纯度≥99.5%）购自天津博华化学试剂
表征
Fx-PI薄膜的两步合成方法如图1a所示。首先，将6FDA和BPADA的酸酐单体与TPE-Q的二胺单体混合进行三元共聚反应，获得含氟聚酰胺酸溶液。然后进行刮涂和热亚胺化处理，获得不同氟化度的Fx-PI薄膜。图S3中的FTIR光谱证实了这些含氟薄膜的官能团。非对称和对称伸缩振动
应用
鉴于F75%-LIG/GO湿度传感器优异的湿度传感性能，探索了其在呼吸监测[61]中的潜在应用。为验证传感器在可穿戴人体应用中的特异性，测试了其在常见汗液干扰物（Na+、乳酸、尿素）蒸气环境中的响应（图S13）。结果表明，在相对湿度（RH）11%–97%范围内，传感器对这些干扰物的响应信号几乎与
结论
综上所述，通过在合成过程中调节酸酐混合物中6FDA和BPADA中氟化6FDA的摩尔百分比，成功制备了一系列具有不同氟化度的F-PI。通过LDW方法成功制备了F-LIG叉指电极，并作为GO湿度敏感层的基底来制备湿度传感器。F-LIG电极因
CRediT作者贡献声明
乔文静：写作 – 初稿、可视化、软件、方法论。胡智伟：写作 – 审阅与编辑、软件、调查、形式化分析。赵怡：写作 – 审阅与编辑、调查。崔悦悦：验证。王浩哲：软件。郭瑶辉：软件。崔大鹏：写作 – 审阅与编辑。高发明：监督、项目管理、概念化。万同：写作 – 审阅与编辑。李晓东：监督。魏惠格：写作 – 审阅与编辑，
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到天津市青年精英科学家培育计划（TJSQNTJ-2018-03）的资金支持。
乔文静|胡智伟|赵怡|崔悦悦|王浩哲|郭瑶辉|崔大鹏|高发明|万同|李晓东|魏惠格
