甄明硕, 刘晓然, 范向前, 张文平, 严东东, 刘磊, 李晨

无机材料学报 2024, 39 (4): 432-440. DOI:10.15541/jim20230440

摘要（390）

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近年来, 湿度传感器在食品安全、土壤监测等领域的应用引起了广泛关注。传统湿度传感器具有稳定性好、灵敏度高等优点, 但大部分湿度传感系统通常采用有线连接和外接庞大设备来将湿度信号转换为可识别的波形, 无法对湿度信息的变化进行实时的可视化监测。将湿度信息直接转换为肉眼可观测的颜色信号为上述问题提供了一种理想解决方案。本研究将湿度传感器与电致变色器件集成一体来制备智能可视化湿度指示系统, 通过将湿度信号转换为电压信号来驱动电致变色器件(Electrochromic devices, ECDs), 从而实现系统稳定可逆的颜色变化。采用三氧化钨(WO₃)作为负极、锌箔(Zn)作为正极制备的ECDs会根据湿度传感器的输出电压的变化来转变不同的工作状态, 从而产生肉眼可观测的颜色信号。采用紫外-可见分光光度计与电化学工作站对ECDs的电化学性能以及电致变色性能进行研究和表征。随后, 通过示波器和湿度发生平台对调理电路性能进行分析。结果表明: 智能电致变色型湿度指示器具有良好的稳定性和快速的响应性能, 其中, 着色时间与褪色时间仅为7.5和4.5 s, 并且在300个循环后, 光学调制幅度(ΔT)与初始值相比基本保持不变(保持率可达95%以上)。因此, 这种设计新颖、结构简单的可视化湿度系统在人工智能、智能农业等领域具有广阔的应用前景。

上述研究表明, 电致变色器件具有良好的电致变色性能。同时, 调理电路的输出电压与电致变色器件的变色电压完美契合, 并保持着较为稳定的电学性能。随后, 对湿度传感器、湿度调理电路与电致变色器件进行一体化集成, 形成智能湿度指示系统, 以便对湿度进行可视化监测。图6(a)所示为电致变色型湿度指示器的工作原理。从图中可以看出, 湿度传感器感知到外界湿度的变化, 并将其转换为电压信息; 随后, 调理电路对电压进行调节, 使其与电致变色器件的变色电压相匹配。同时, 电致变色器件由于电压的改变, 其颜色和透过率也会发生可逆的变化[38]。图6(b)详细给出了电致变色器件在10% RH、40% RH、70% RH和90% RH湿度下的颜色变化。从图中可以看出, 随着湿度发生器中的湿度增加, 电致变色器件两端的电压也随之增大, 从而使电致变色器件从深蓝色逐渐变为透明。同理, 当湿度发生器中的湿度降低时, 电致变色器件的颜色由透明变为深蓝色, 并随着湿度的减小而呈现出不同程度的着色。

这些丰富的颜色变化不仅可直接被人眼观测, 还可通过紫外-可见分光光度计进行定量分析。图6(c)为该器件在300~900 nm波长范围、不同湿度下的透过率光谱。从图中可以看出, 不同湿度下原位透过光谱表现出明显的差异, 该结果表明电致变色器件能够准确指示湿度变化。湿度指示器同时需要具备在长期工作环境下保持稳定输出的能力。因此, 本研究对电致变色型湿度指示器的稳定性进行了测试。图6(d)给出了电致变色湿度指示器在10% RH、40% RH、70% RH和90% RH湿度下的透过率稳定性。从图中可以看出, 当湿度固定时, 电致变色湿度指示器的透过率基本保持恒定, 表明即使在长期工作条件下, 电致变色型湿度指示器仍能保持稳定输出。因此, 精准的指示、稳定的性能、快速的响应均表明电致变色型湿度指示器能够对湿度进行可视化监测。