Surface charge manipulation for improved humidity sensing of TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils

纤维素 湿度 化学工程 表面电荷 水分 材料科学 复合材料 电导率 相对湿度 聚合物 电荷密度 表面改性 纳米技术 化学 物理化学 气象学 工程类 物理 量子力学
作者
Jiaying Zhu,Penghui Zhu,Yeling Zhu,Yuhang Ye,Xiaohong Sun,Yifan Zhang,Orlando J. Rojas,Peyman Servati,Feng Jiang
出处
期刊:Carbohydrate Polymers [Elsevier BV]
卷期号:335: 122059-122059
标识
DOI:10.1016/j.carbpol.2024.122059
摘要

Cellulose-based humidity sensors have attracted great research interest due to their hydrophilicity, biodegradability, and low cost. However, they still suffer from relatively low humidity sensitivity. Due to the presence of negatively charged carboxylate groups, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO)-oxidized cellulose nanofibril (CNF) exhibits enhanced hydrophilicity and ion conductivity, which is considered a promising candidate for humidity sensing. In this work, we developed a facile strategy to improve the humidity sensitivity of CNF films by regulating their surface charge density. With the increase in surface charge density, both water uptake and charge carrier densities of the CNF films can be improved, enabling a humidity sensitivity of up to 44.5 % (%RH)-1, higher than that of most polymer-based humidity sensors reported in the literature. Meanwhile, the sensor also showed good linearity (R2 = 0.998) over the 15-75 % RH at 1 kHz. With these features, the CNF film was further demonstrated for applications in noncontact sensing, such as human respiration, moisture on fingertips, and water leakage, indicating the great potential of CNF film in humidity monitoring.
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