DOI:10.1016/j.snb.2020.128286
在這項工作中，研究者通過將石英晶體微天平（QCM）平臺與聚乙烯亞胺（PEI）接枝的聚丙烯腈（PAN）納米纖維墊（即PAN/PEI納米纖維）集成為活性層，設計出了混合型濕度傳感器。使用掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和傅立葉變換紅外（FTIR）光譜儀對所制備的器件進行了表征，分別研究了其形態、粗糙度和分子組成。為了了解濕度傳感機理，針對水分子在納米纖維上的吸附和解吸過程建立了指數動力學模型。當傳感器暴露于大于60％rH的相對濕度（RH）時，活性層的粘彈性開始增加。在室溫（30±1）℃下進行的濕度暴露評估期間，PAN/PEI納米纖維功能化QCM傳感器表現出高達164Hz/％rH的靈敏度，響應和恢復時間分別為13和7s。此外，它們還提供了高選擇性、長期穩定性以及低誤碼率的出色重復性。與其他現有的涂覆有各種材料（例如，金屬氧化物、碳和聚合物）的QCM基濕度傳感器相比，該研究制備的獨特的電紡PAN/PEI納米纖維氈功能化QCM傳感設備在靈敏度和響應度方面均表現出最優異的性能。這可以為高性能、低成本的濕度傳感器提供替代方案。
圖1.（a）聚丙烯腈（PAN）和聚乙烯亞胺（PEI）的化學結構。（b）PAN/PEI納米纖維涂層石英晶體微天平（QCM）的制備過程和（c）自制濕度傳感器測試裝置的示意圖。
圖2.具有兩個不同放大倍數（即5000x和10,000x）的QCM傳感器電極上的電紡裸PAN和PAN/PEI納米纖維的SEM圖像。
圖3.PAN/PEI納米纖維的AFM圖像：（a）3D視圖和（b）2D橫截面輪廓。
圖4.（a）PAN和PEI沉積后，QCM的頻移。（b）PAN和PAN/PEI納米纖維樣品的FTIR光譜。
圖5.在（a）兩種不同的濕度水平（40％和70％rH）和（b）從30％至75％rH的濕度增量范圍影響下，所有裸PAN和PAN/PEI納米纖維涂層QCM傳感器的頻率變化。（c）PAN/PEI納米纖維傳感器暴露于38％和78％rH的動態響應的一個和（d）十個完整循環。
圖6.使用PAN和PAN/PEI納米纖維表面官能化后的接觸角測量結果，證實了在將PEI溶液引入后從疏水性表面到親水性表面的轉變。接觸角圖片代表用水滴處理過的樣品。
圖7.受濕度變化和濃度為1000 ppm的各種分析物影響的傳感器頻移。
圖8.基于雙峰指數動力學模型的最小二乘擬合，其中該動力學模型針對（a）PAN/PEI納米纖維涂層QCM傳感器在濕度水平為38％至78％rH時的吸附和（b）解吸過程。（c）在20％rH（低=40％rH和高=60％rH）的不同濕度水平下進行長期穩定性測量時，PAN/PEI納米纖維修飾QCM傳感器的頻移。（d）所有制備的QCM傳感器的耗散位移對應于各種濕度水平。
圖9.PAN/PEI納米纖維傳感器在低濕度和高濕度條件下可能的濕度感應機制示意圖。
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