中大吴进/南工大霍峰蔚教授AM：基于智能自适应水凝胶的自供电可逆切换气湿双功能柔性化学传感器

可直接穿戴在身上或集成在衣物中的智能可穿戴电子设备因其在持续健康监测、安全保护和人机交互方面的广泛应用前景而受到关注。为了满足可穿戴电子对低功耗、连续工作时长、穿戴舒适性和多种信号检测等功能性日益增长的需求，设计和开发自供电、柔性、和无串扰的多功能传感器非常必要。传统上，传感设备的功能扩展主要依赖于单一功能器件（传感器、储能器件、纳米发电机等）和多种功能材料的集成和耦合，但这会大大增加系统制造的复杂性、尺寸和成本。在没有算法支持的情况下，如何基于单一器件和单一传感材料识别和量化不同种类的信号仍是一项挑战。值得注意的是，智能水凝胶可通过改变自身的材料状态满足不同场景下的应用需求，具有在不同状态下与不同化学分子相互作用的潜力，因此是构建柔性多功能传感器的理想候选材料。

近期，中山大学吴进团队和南京工业大学霍峰蔚教授合作，通过在水凝胶中协同引入两种亲水性迥异的离子（锌离子和锂离子），开发了一种智能自适应性水凝胶，它可以轻松快速地在富水和缺水两种状态之间切换，用于构建一种具有金属空气电池结构的电化学自供电、柔性、气体和湿度双传感功能可逆切换的化学传感器。引入的氧气可在构建的碳布-水凝胶界面发生氧还原反应，改变电路中的电流。所制备的水凝胶可在富水和缺水状态之间轻松切换，是器件实现无串扰地感知氧气和湿度的关键，这是由于氧气分子和水分子在水凝胶富水和缺水状态下能分别作为氧化还原反应的限制物和催化剂参与到反应中，成为改变电路中电流的主要因素。

在水凝胶的富水状态时，氧气成为电极-凝胶界面处氧还原反应的唯一限制反应物，只有其浓度的变化才能导致器件输出电流的明显改变，从而实现了其对氧气的特异性感知。在低氧和高氧浓度范围下的灵敏度分别增加到了 4170.5% 和 705.9%/%，且具有极低的检测下限（0.4 ppm O2）和优异的选择性等。利用缺水状态的离子导电 PAM 水凝胶制备了具有锌空气电池结构的一体化电化学自驱动湿度传感器。通过水脱附策略构建的碳布电极-缺水水凝胶界面的界面阻抗大大提升，抑制了器件的氧传感能力。依靠凝胶网络中聚合物基团和引入的吸湿性锂离子的水吸附作用，从环境中吸附的水分子不仅能参与到氧还原反应中，还可以降低界面阻抗并促进界面反应的进行，赋予了湿度传感器在低湿和高湿范围下分别高达 187.6%和380.2%/% RH 的灵敏度，远高于对氧气的响应性。通过调控离子导电 PAM 水凝胶中的含水量，实现了在同一器件中可逆切换的氧气和湿度双模态感知功能。

通过与电路和无线传输技术结合后，该柔性可穿戴无线传感器系统可实时和远程监测环境氧含量、经皮氧分压变化、呼吸和皮肤湿度，在安全、健康管理和非接触人机交互领域具有广泛的应用前景。该工作以“Self-powered Switchable Gas-Humidity DifunctionalFlexible Chemosensors Based on Smart Adaptable Hydrogel”为题发表在《Advanced Materials》上。通讯作者为中山大学电子与信息工程学院吴进副教授和南京工业大学柔性电子（未来技术）学院霍峰蔚教授。第一作者为中山大学研究生丁琼玲。

图1 基于智能水凝胶的自供电、柔性和可切换的气湿敏传感器的设计。

图2 基于富水 ZL-PAM水凝胶的自供电传感器的氧气传感性能和机理。

图3 基于缺水ZL-PAM水凝胶的自供电传感器的湿度传感特性和机理。

图4 基于富水ZL-PAM水凝胶的自供电氧气传感器的应用展示。

图5 基于缺水ZL-PAM水凝胶的自供电湿度传感器的应用展示。

论文信息：

Q. Ding, H. Wang, Y. Zhou, Z. Zhang, Y. Luo, Z. Wu, L. Yang, R. Xie, B.‐. Yang, K. Tao, S. Pan, F. Liu, J. Fu, F. Huo*, J. Wu*, Self‐Powered Switchable Gas‐Humidity Difunctional Flexible Chemosensors Based on Smart Adaptable Hydrogel.Advanced Materials2025, 2502369.

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202502369

来源：高分子科学前沿

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