基于共价有机框架（COF）的超灵敏湿度传感器：微观结构设计与分子机理研究

发布时间：2025-6-27

类别：本站动态

阅读：0

引言 

湿度传感器在环境监测、工业生产和医疗诊断等领域具有广泛应用，但现有传感器在灵敏度、响应速度和检测范围等方面仍存在局限性。共价有机框架（COF）材料因其可调控的孔隙结构、丰富的活性位点和高稳定性，成为实现高性能湿度传感的理想候选材料。本文探讨了如何通过COF的微观结构设计提升传感性能，并从分子水平揭示其湿度响应机制。 

COF材料的湿度传感优势 

COF是一类由共价键连接的晶态多孔材料，其独特的优势包括： 

1. 高比表面积和有序孔隙：为水分子吸附提供大量活性位点，加快响应速度； 

2. 可功能化的骨架结构：通过引入磺酸基（–SO₃H）、氨基（–NH₂）等亲水基团，增强对水分子的特异性捕获能力； 

3.化学稳定性：在潮湿或酸碱环境中保持结构完整性，适合复杂场景应用。 

微观结构设计策略 

1. 孔隙尺寸与分布调控 

通过选择不同对称性的单体（如C₃对称的三醛基苯与C₂对称的二胺），可构建孔径为1–5 nm的COF材料。较小的孔径（<2 nm）通过毛细凝聚效应增强低湿度（<30% RH）下的灵敏度，而分级孔隙结构（微孔-介孔复合）可扩展检测范围至高湿度（>90% RH）。 

2. 亲水官能团修饰 

在COF骨架中引入–SO₃H或–COOH等酸性基团，可通过氢键与H₂O分子强烈相互作用，显著提升灵敏度。例如，磺酸功能化的TpPa-SO₃H COF在10–30% RH范围内灵敏度达0.95 pF/%RH，远超传统聚合物传感器。 

3. 导电通路优化 

将COF与导电材料（如石墨烯、聚苯胺）复合，可构建电子/离子双传输通道。水分子吸附导致COF介电常数变化，进而引起复合材料的阻抗或电容信号变化，实现实时定量检测。 

分子水平传感机理 

COF的湿度响应机制可分为三个阶段： 

1. 单层吸附（低湿度）：水分子通过氢键与亲水基团结合，引发局部电荷分布变化； 

2. 多层吸附（中湿度）：孔隙内形成水分子簇，质子跳跃（Grotthuss机制）增强离子电导； 

3. 毛细凝聚（高湿度）：介孔被水填充，介电常数急剧上升，电容信号显著增强。 

性能验证与应用实例 

实验表明，基于TpBD（含–NH₂）的COF传感器在11–95% RH范围内呈现线性响应（R²=0.998），响应/恢复时间仅3.2 s/4.8 s。其在呼吸监测中的应用成功实现了呼出气体湿度的实时追踪，误差<±1.5% RH。 

结论与展望 

通过精准设计COF的孔隙结构和官能团，可突破传统湿度传感器的性能瓶颈。未来研究需结合机器学习优化材料筛选，并开发柔性COF器件以满足可穿戴设备需求。COF材料为高灵敏度、宽范围湿度传感提供了新的分子工程路径