《Sustainable Materials and Technologies》：Sustainable cork-based laser-induced graphene sensors for humidity monitoring in cultural heritage preservation
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可持续传感平台对于环境监测和文化遗产保护至关重要。本文报道了一种通过在可生物降解和可再生的软木基底上进行直接激光写入制备的化学电阻式相对湿度（RH）传感器。该传感器集成了激光诱导石墨烯（LIG）电极、PEDOT:PSS稳定层以及绿色和化学合成氧化石墨烯（GO）
可持续传感平台对于环境监测和文化遗产保护至关重要。本文报道了一种通过在可生物降解和可再生的软木基底上进行直接激光写入制备的化学电阻式相对湿度（RH）传感器。该传感器集成了激光诱导石墨烯（LIG）电极、PEDOT:PSS稳定层以及绿色和化学合成氧化石墨烯（GO）的杂化材料作为活性传感层，在优化性能的同时最大限度地减少对环境的影响。该器件在0–100%相对湿度范围内表现出0.366 KΩ/%RH的灵敏度，迟滞低于0.5% RH，并展示了长期稳定性，在75天内漂移小于1% RH。使用定制数据记录器在博物馆环境中的部署证实了其与商用传感器相当的可靠相对湿度监测能力。生命周期评估表明，绿色电解氧化石墨烯合成可将气候变化影响降低高达4.5倍，而软木基底相较于聚酰亚胺基底传感器可将碳足迹降低约八倍。这项工作为实际文化遗产保护应用提供了一种可持续、高性能的相对湿度传感平台。
基于可持续软木基底激光诱导石墨烯的湿度传感器研究解读
**研究背景与意义**
相对湿度（RH）的精确可靠监测在环境监测、智能建筑、医疗保健、农业和工业过程等众多领域具有关键意义。尤其在博物馆和档案馆等文化遗产保护场所，精确的相对湿度控制至关重要，因为湿度波动会加速敏感文物和艺术品的劣化，对文化遗产造成不可逆的损害。因此，市场对兼具高性能、长期稳定性、低功耗且适合实际部署的湿度传感器需求日益增长。然而，许多柔性传感平台依赖石油衍生基底、化学密集型材料合成和制造工艺，这些与可持续材料设计原则不符。近年来，基于碳纳米材料的化学电阻式湿度传感器因其器件结构简单、灵敏度高以及与柔性和低成本基底兼容而备受关注。其中，氧化石墨烯（GO）因其丰富的含氧官能团——如羟基、环氧基和羧基——能通过氢键为水分子吸附提供活性位点而特别适用于湿度传感。然而，传统氧化石墨烯合成方法常使用剧烈化学氧化剂并产生大量废料，引发可持续性担忧。激光诱导石墨烯（LIG）通过直接激光写入碳前驱体，成为一种无需油墨或复杂后处理步骤即可无掩模制造导电图案的多功能可扩展方法。天然软木作为可再生可生物降解基底，为激光诱导石墨烯制造提供了更环保的途径。尽管已有研究探索了软木衍生激光诱导石墨烯在湿敏领域的应用，但将低环境影响功能材料整合、器件级环境评估和现场验证相结合的研究仍显不足，这正是本研究的出发点。
**研究内容与结论**
研究人员开发了一种可持续的化学电阻式相对湿度传感器，将软木衍生激光诱导石墨烯电极、PEDOT:PSS稳定层以及由绿色合成和化学合成氧化石墨烯组成的杂化传感层集成于一体。研究人员对材料的结构和化学性质进行了系统表征，并对传感器的灵敏度、线性度、迟滞、重复性、响应/恢复时间和长期稳定性等性能进行了全面评估。最后，将传感器集成到定制数据记录器中，在真实博物馆环境中进行了部署验证。生命周期评估（LCA）在材料和器件两个层面进行，以量化环境效益。该传感器在0–100% RH全量程内表现出0.366 KΩ/%RH的灵敏度，迟滞低于0.5% RH，75天长期漂移小于1% RH。博物馆现场部署证实了其与商用传感器相当的可靠监测能力。生命周期评估显示，绿色电解氧化石墨烯合成可将气候变化影响降低高达4.5倍，软木基底相较于聚酰亚胺传感器可将碳足迹降低约八倍。这项工作确立了软木衍生激光诱导石墨烯作为可持续湿度传感可行且可扩展的平台，为文化遗产保护提供了低影响、高性能的传感方案。该论文发表在《Sustainable Materials and Technologies》。
**关键技术方法**
本研究主要采用了以下关键技术方法：第一，利用5 W、450 nm蓝色二极管激光器在天然软木片上进行直接激光写入，通过激光石墨化工艺制备叉指状激光诱导石墨烯电极；第二，采用三步水电化学氧化法（插层-膨胀-氧化）从天然石墨片合成绿色氧化石墨烯，并与传统化学合成氧化石墨烯按1:1比例混合制备杂化传感层；第三，旋涂PEDOT:PSS作为稳定层以增强激光诱导石墨烯电极的机械稳定性和附着力；第四，利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）对材料进行表征；第五，采用自动化气体流动系统进行湿度响应测试；第六，采用生命周期评估方法，按照从摇篮到大门的思路，使用Ecoinvent 3.10数据库和SimaPro软件基于欧洲环境足迹（EF）3.1方法评估环境影响。现场验证在雅典贝纳基博物馆的Yiannis Pappas工作室和威尼斯的Peggy Guggenheim Collection画廊进行。
**研究结果**
**传感器组件的表征。** 扫描电子显微镜显示软木衍生激光诱导石墨烯保留了天然软木蜂窝结构的部分特征，但表现出激光石墨化过程造成的显著无序性，包括爆裂的细胞壁、微孔和微片。绿色氧化石墨烯粉末呈现高度剥离的皱褶片状形态，具有显著的层间距。原子力显微镜显示氧化石墨烯片厚度约1.2 nm，横向尺寸小于2 μm。拉曼光谱显示软木激光诱导石墨烯具有特征性的D、G和2D带，ID/IG比为0.87，表明存在纳米晶石墨畴，I2D/IG为0.58表明多层石墨烯结构。XPS分析显示软木激光诱导石墨烯中sp2碳含量（46.3%）显著高于sp3碳含量（12.3%），证实激光石墨化形成了类石墨烯畴。绿色氧化石墨烯的氧含量估计为23.7%，含有丰富的羟基、环氧基和羧基官能团。
**湿度传感器的表征。** 横截面扫描电子显微镜图像揭示了器件的多层结构：软木基底作为基层，激光诱导石墨烯嵌入软木表面下方，PEDOT:PSS层清晰可见，氧化石墨烯传感层作为最顶层。对控制器件的研究表明，裸软木激光诱导石墨烯仅表现出微弱的湿度依赖性响应，而完整传感器的响应约40 kΩ，远大于PEDOT:PSS涂层器件的3–4 kΩ。值得注意的是，不含PEDOT:PSS的氧化石墨烯涂层器件表现出与完整传感器相反的响应极性，表明完整器件的传感行为源于多层结构的耦合电响应而非单纯的氧化石墨烯-水相互作用。传感器在0–100% RH范围内展现出明显且分辨良好的电阻值，逐步增加和减少10% RH的循环测试表明具有优异的可逆性。校准曲线显示电阻与相对湿度呈线性关系，灵敏度为0.366 kΩ/%RH，拟合函数为R = 0.366x + 79.24 (kΩ)，R2 = 0.99。迟滞测试显示最大迟滞为70% RH处的0.49% RH，整个范围内低于0.5% RH。重复性测试在20%、40%、60%和80% RH水平下各循环五次，响应曲线几乎一致。响应和恢复时间在0–25% RH跃迁时为100.6 s和91.2 s。75天长期稳定性测试显示电阻从98.833 kΩ微降至98.475 kΩ，对应湿度偏差小于1% RH。温度影响测试显示传感器电阻随冷却至-15°C而增加，加热后恢复初始值，表现出可逆的温度依赖性电响应。
**使用定制数据记录器实时监测相对湿度。** 研究人员开发了便携式数据采集系统，可同时连接多达三个传感器，将模拟信号通过用户提供的校准函数转换为相对湿度值。在贝纳基博物馆Yiannis Pappas工作室进行的20天现场测试中，软木传感器的响应与商用YGRO湿度传感器趋势高度一致，准确率达90.77%，平均绝对误差为5.61，平均相对误差为9.23%。在Peggy Guggenheim Collection画廊的barchessa半开放空间进行的6天连续监测中，传感器记录了相对湿度从约64%逐渐上升至71%的过程，无显著噪声或信号漂移，平稳的时间响应证实了其准确跟踪湿度变化的能力。
**生命周期评估。** 在氧化石墨烯生产层面，绿色电解路线的气候变化影响为0.100 kg CO2当量，而化学合成路线为0.445 kg CO2当量，降低约4.5倍。淡水生态毒性（3.78 vs 0.401 CTUe）和水资源消耗（2.42 vs 0.131 m3）差异更为显著。人类毒性指标方面，化学路线分别高出约六倍（致癌）和五倍（非致癌）。在传感器制造层面，软木基底传感器的气候变化影响为5.11 × 10?3 kg CO2当量，而聚酰亚胺基准为4.23 × 10?2 kg CO2当量，降低约八倍。贡献分析表明，聚酰亚胺基底传感器的大部分影响类别中聚酰亚胺基底占90%以上，而软木基底传感器的影响分布更为分散，土地利用因生物质相关土地占用贡献约72%的总影响。
**讨论与结论**
本工作展示了一种基于软木衍生激光诱导石墨烯集成氧化石墨烯活性层的可持续湿度传感平台，旨在平衡高传感性能与降低环境影响。传感器在0–100% RH全量程内表现出可靠运行，具有高线性度、低迟滞（<0.5% RH）、良好重复性和优异长期稳定性（75天内漂移<1% RH）。尽管分钟级响应适用于博物馆环境中渐变湿度变化的跟踪，但更快的响应对于检测突变湿度变化将是有益的。未来工作将聚焦于优化传感层结构和蒸汽传输路径以改善响应动力学，同时进一步评估温度补偿和对相关环境干扰物的交叉敏感性。博物馆环境中的成功部署证实了其实时监测文化遗产保护相关条件的能力。传感器与定制数据记录器的集成进一步实现了电阻式传感平台的实际原位操作，弥合了实验室规模器件与实际应用之间的差距。重要的是，生命周期评估揭示了显著的环境效益：绿色氧化石墨烯合成将气候变化影响降低高达4.5倍，软木基底相较于聚酰亚胺传感器将整体碳足迹降低约八倍。总的来说，这项工作确立了软木衍生激光诱导石墨烯作为可持续传感技术可行且可扩展的平台。通过结合可再生材料、绿色合成方法和已证明的现场性能，该研究为环境监测和文化遗产保护的低碳高性能传感器提供了路径。
