黑龙江大学研发制备具有不同维度的Ho2O3湿度敏感材料

纳米材料的形貌和尺寸调控在提升材料性能方面起着至关重要的作用。近年来，制备具有不同形貌、尺寸和多孔结构的纳米材料引起了科研人员的广泛关注。稀土氧化物由于良好的电，光，磁和耐热性能，已广泛用于发光、催化、能源、储氧、医疗和气体传感器等领域。然而通过简单的方法可控制备具有不同维度的稀土氧化物并拓展其应用仍是个巨大的挑战。随着医疗、物联网等领域的飞速发展，通过湿度传感器监测人体呼吸(频率)以及体表汗液，实时感知人体健康变得越来越重要。尽管研究人员已经做了大量工作以进一步提高湿度传感材料的性能。但是对于实际应用而言还需要在响应恢复速度、灵敏度和稳定性等方面做到全面提升。因此，迫切需要通过简单的合成方法制备新型湿敏材料，并开发材料的新应用。

鉴于此，黑龙江大学的徐英明教授，霍丽华教授等人在《Journal of Materials Chemistry A》上发表了题为“Controllable Construction of Ho 2O 3 Nanomaterials with Different Dimensions (1D, 2D, 3D) for Real-time Monitoring Human Breathing and Body Surface Humidity Detection”的文章，第一作者为博士生郭传宇。该工作通过简单的合成方法，可控制备了具有不同维度的新型Ho2O3湿度敏感材料，并对Ho2O3材料的形成过程、影响因素和湿敏性能进行了详细研究，将筛选出的二维结构Ho2O3材料应用于人体呼气、皮肤湿度检测和护手霜保湿效果监测，为湿度传感材料的制备和传感器的应用提供了新思路。

文章亮点：

1.Ho2O3材料的形貌调控：通过调节反应体系中尿素添加量和醇与水的体积比，实现了由低维材料向三维材料的组装过程的调控。反应体系中水含量的变化，能够调控材料由二维片状形貌向一维管状形貌转变。尿素含量的改变，能有效调控二维片和一维管向三维形貌组装，进而通过简单的方法得到纳米管，纳米片，纳米管球和纳米片球三种维度四种形貌的Ho 2O 3纳米材料。

图1. 氧化钬(a)纳米管结构;(b)纳米片结构;(b)纳米管自组装球形结构;(b)纳米片自组装球形结构，(e1-5)体系中水含量的增加;(f1-f4)体系中尿素含量的增加，产物形貌的变化。

2.呼吸监测应用：将四种材料进行湿敏性能测试后发现，四种材料均具有优异的湿敏性能。其中，Ho 2O 3纳米片由于出色的多孔结构和开放体系，在11% RH-95% RH湿度环境中，即显示出超快的响应恢复速度(响应时间小于0.3 s，恢复时间小于6 s)，又兼具高的灵敏度(可达到1143)。对该材料传感器进行模拟不同状态下的呼吸测试可以得到，该传感器可以很好的识别模拟睡眠和运动状态之间的呼吸频率变化，并且可在2 s内识别出模拟呼吸停止信号。同时，该传感器显示出优异的稳定性，进行了3600 s不间断呼吸测试后材料的，该传感器的响应值和速度基本保持不变，具有很好的应用前景。

图2. (a) Ho2O3纳米片在11% RH-95% RH环境中的响应恢复曲线;(b，c)模拟睡眠状态和运动状态的呼吸监测曲线;(d)模拟睡眠状态和运动状态呼吸频率的转化曲线;(e)3600 s呼吸监测长期稳定性测试;(f)模拟停止呼吸状态的信号响应曲线。

3.人体表面湿度检测：该传感器对人体表面湿度具有良好的响应恢复特性，除了简单的指尖湿度响应测试外，还应用在运动前后身体不同部位的表面湿度测试等测试中，均表现出了快速的响应和良好的实时监控效果。有趣的是，传感器可以对不同功效护手霜涂覆后的皮肤表面保湿效果进行实时监测，为湿度传感器的应用提供了新思路。

图3. (a)五次连续指尖响应测试曲线;(b)同一志愿者运动前后身体同一部位的湿度值;(c)不使用护手霜及使用不同种类护手霜后，皮肤表面的湿度变化情况。

总结：

本文采用简单的制备方法，获得了三种维度(1D，2D，3D)四种形貌性能优异的Ho 2O 3湿敏材料，并将该材料应用到于人体呼气、皮肤湿度检测和护手霜保湿效果监测等方面。希望该篇文章的实验和结论能够为研究人员在不同维度稀土氧化物材料制备方面提供借鉴，使湿度敏感材料获得更多的关注，特别是为人体健康检测、智能感知等方面提供新的研究思路。