為了實(shí)現(xiàn)非侵入式醫(yī)療檢測(cè)和快速人機(jī)交互，可穿戴濕度傳感器近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于人體呼吸監(jiān)測(cè)和非接觸開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域。共價(jià)有機(jī)框架材料COF-5因其大比表面積和豐富的活性位點(diǎn)，被認(rèn)為是濕度傳感器中理想的敏感材料。
然而，大多共價(jià)有機(jī)框架材料為溶劑熱法合成的不溶性粉末，材料內(nèi)部缺陷和與電極的不良接觸限制其在可穿戴傳感器上的應(yīng)用。同時(shí)，共價(jià)有機(jī)框架材料的化學(xué)電阻傳感機(jī)理研究仍處在發(fā)展階段，阻礙高反應(yīng)活性的共價(jià)有機(jī)框架敏感材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。
針對(duì)以上問(wèn)題，武漢理工大學(xué)的劉曰利研究員和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）的陳克強(qiáng)教授合作，采用蒸汽輔助法制備具有強(qiáng)親水性的柔性COF-5薄膜，并用于濕度傳感器。組裝的濕度傳感器可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)數(shù)量級(jí)的電阻變化，且在180°彎折條件下仍具有一致的濕度響應(yīng)和線性關(guān)系，在呼吸監(jiān)測(cè)和非接觸開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。理論模擬計(jì)算進(jìn)一步闡明COF-5薄膜在濕度條件下中間體的生成、堆疊構(gòu)型變化及濕度傳感機(jī)理。
蒸汽輔助法制備的COF-5薄膜具有均勻多孔的表明形貌，且在柔性基底上表現(xiàn)出優(yōu)異的靈活性和親水性。相比于溶劑熱法制備的COF-5粉末，COF-5薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的電荷傳輸能力和電極接觸特性，在傳感器中表現(xiàn)出更快的響應(yīng)—恢復(fù)速度、更小的遲滯現(xiàn)象和突出的柔性彎折性能。 基于DFT的理論模擬計(jì)算表明，水分子吸附后，COF-5薄膜由于分子間重構(gòu)引起不同維度上的π-π堆疊，并與反應(yīng)所形成的晶體結(jié)構(gòu)和中間體等實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果相吻合。 最終，COF-5薄膜組裝的濕度傳感器可實(shí)現(xiàn)指尖靠近以及貼附在醫(yī)用口罩外側(cè)5分鐘內(nèi)呼吸的濕度信號(hào)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。在大氣環(huán)境中保持一周，濕敏性能沒(méi)有發(fā)生明顯衰減，表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。 論文信息 Study of Intermolecular Reconfiguration of Flexible COF-5 Film and Its Ultra-high Chemiresistive Humidity Sensitivity Aohan Mei, Prof. Wen Chen, Zifan Yang, Min Zhou, Dr. Wei Jin, Dr. Shuang Yang, Dr. Keqiang Chen, Dr. Yueli Liu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202301440
