有机水凝胶基可拉伸氧气传感器：室温下可自修复、自粘附、高稳定性

1. 有机水凝胶基氧气传感器具有全浓度的检测范围(0～100%)、良好的线性度、超低的理论检测极限(5.7ppm)、极高的灵敏度(0.2%/ppm)、优异的选择性、可调控的响应/恢复速度，并且适合在室温下工作。

4. 提出了一种基于电化学反应的机制来阐明离子导电有机水凝胶的氧气传感行为。

通过设计盐浸泡和溶剂置换策略在水凝胶中引入盐和多元醇，把水凝胶转化为有机水凝胶，可多维度地调控有机水凝胶的各类性能。例如，其冰点从-15℃降低至-120℃以下，对干燥环境的耐受能力也有了明显的提升，保证了传感器长时间工作的稳定性。另外，传统水凝胶的高机械强度与良好的可拉伸性往往难以兼顾，通过调整盐浸泡和溶剂置换时间可平衡二者，获得弹性模量为94kPa、可承受1400%拉伸应变的有机水凝胶。

图1. 聚丙烯酰胺-壳聚糖双网络有机水凝胶制备过程、材料表征与该有机水凝胶基氧气传感器的工作原理展示。

IV 不同形变、湿度与温度下的气敏性能

系统研究了柔性可穿戴气体传感器在不同形变、湿度与温度的应用场景。有机水凝胶基氧气传感器在0～100%拉伸应变下的响应会随应变的增大而增大，同时响应/恢复时间则会相应地降低，即拉伸应变能提高传感器的气敏性能。这是因为其一，有机水凝胶的应变导致自身电阻增大，响应基线下降，而电化学反应在水凝胶-电极界面处产生或消耗电子的速率变化不大，导致相对电流变化(响应)增大。其二，在拉伸过程中，有机水凝胶内部卷曲的聚合物链变直导致孔隙变大，促进了氧气在有机水凝胶中的扩散。其三，有机水凝胶的表面积随着应变的增加而增加，从而增强了对氧分子的吸附。

另外，湿度与温度都会影响电化学反应的速率。在不同湿度的环境之下，传感器对1%浓度氧气的响应随湿度的增大(从11.3%到90.5%相对湿度)先升后降，在52.5% RH下达到最高；类似的，传感器对1%浓度氧气的响应也会随温度的升高(从-18℃到40℃)而先升后降，在20℃下达到最高。传感器的响应/恢复时间则会随湿度与温度的增大而降低。因此，通过集成应变、湿度与温度传感器，可以使有机水凝胶基氧气传感器在多种环境条件下正常工作，增加了其实际应用范围与价值。

图5. 传感器在11.3%-90.5%相对湿度和-18℃-40℃环境下的氧传感性能。

V 气敏机制的验证

我们提出了一种电化学反应机制来解释传感器的正电流位移现象。为了验证这一机制，设置对照组(不通电)与实验组(施加较大电压)并对比5小时后电极的SEM表面形貌图与EDS元素分析表，可以清晰地看出电极的腐蚀消耗。另外，根据此前提出的理论，氧气会在阴极发生反应。因此利用Ecoflex对传感器的阴极进行封装，并测试有无封装条件下，其对相同浓度氧气的响应，显示出了明显的响应大小差异。最后，把银电极换成难以反应的碳电极，并分别测试两种电极分别在氮气环境下和空气环境下的CV曲线，能观察到只有银电极的传感器在空气环境下有明显的氧化还原峰。以上都为本文提出的气敏机制提供了强有力的支撑，还为未来设计制备更多的水凝胶基高性能柔性气体传感器提供了理论基础。

图6. 对氧气传感器工作机制的验证，以及对其他气体选择性的测试。

VI 实际应用

图7. 有机水凝胶基氧气传感器用于测试人体呼出气体。