Nanocellulose-Based Resistive Sensors for Air Humidity Measurements

В. Лапшуда; В. Коваль; М. Душейко; Ю. Ясієвич; В. Барбаш; О. Ященко

doi:10.15407/scine20.04.049

Автор(и)

В. Лапшуда Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0002-1234-3743
В. Коваль Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0002-3898-9163
М. Душейко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0003-3476-4220
Ю. Ясієвич Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0009-0006-4304-2480
В. Барбаш Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0002-7933-6038
О. Ященко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0003-3716-8707

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine20.04.049

Ключові слова:

наноцелюлоза, сенсори вологості, біорозкладні сенсори, резистивні сенсори

Анотація

Вступ. Вимірювання відносної вологості повітря є важливим у таких сферах життєдіяльності людини як системи клімат-контролю, медичного моніторингу дихання, а також відслідковування потовиділення/зволоження шкіри пацієнтів. Зазвичай, сенсори виготовляють із неорганічних матеріалів та полімерів, отриманих із нафти. Сучасним трендом є перехід до біорозкладних природніх матеріалів, які не потребують подальшої утилізації.
Проблематика. На сьогодні існують досліди з використання наноцелюлози (НЦ) як чутливого елемента сенсорів, однак вплив хімічного складу та розміру наночасток НЦ на характеристики сенсорів не досліджено.
Мета. Встановити вплив хімічного складу та розміру наночасток НЦ на характеристики сенсорів вологості.
Матеріали й методи. Для виконання роботи було синтезовано НЦ із очерету та соломи пшениці методами ТЕМПО та кислотного гідролізу, виготовлено сенсори із масою плівки НЦ від 0,3 мг до 3 мг. Було досліджено статичні параметри (відгук, чутливість, реверсивність та повторюваність) та динамічні параметри (коротко- та довготривала стабільність, час відгуку та відновлення) сенсорів.
Результати. Встановлено, що метод виготовлення НЦ впливає на її хімічний склад, а вихідний матеріал синтезу наноцелюлози впливає на її структуру. Найкращі показники відгуку (2,69 · 106 c), чутливості (0,2(%RH)–1), часу відновлення (60 с), а також довготривалої стабільності (1,44 %) показує метод ТЕМПО порівняно з методом гідролізу. Сенсори, виготовлені із НЦ з соломи пшениці, демонструють найкращу реверсивність (гістерезис 5%), повторюваність (відхилення 5 %), короткочасну стабільність (відхилення 30 %) та час відгуку (1 с).
Висновок. Визначено, що вихідний матеріал впливає на реверсивність, повторюваність, короткочасну стабільність та час відгуку сенсорів, а метод виготовлення — на чутливість, відгук, довготривалу стабільність та час відновлення.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Linevych, Y., Koval, V., Dusheiko, M., Yakymenko, Y., Lakyda, M., Barbash, V. (2022). Silicon Diode Structures Based on Nanowires for Temperature Sensing Application. 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 190—195. https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927122

Wang, H., Zhao, M., Zhu, W., Liu, Z., Wang, G., Tang, S., Chen, D., Lee, J.-M., Yang, S., Ding, G. (2020). High-performance humidity sensor constructed with vertically aligned graphene arrays on silicon Schottky junctions. Materials Let ters, 277, 128343. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128343

Lacour, V., Herth, E., Lardet-Vieudrin, F., Dubowski, J. J., Leblois, T. (2015). GaAs Based on Bulk Acoustic Wave Sensor for Biological Molecules Detection. Procedia Engineering, 120, 721—726. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.772

Kim, S. J., Lee, S.-W., Song, J. D., Kwon, Y.-W., Lee, K.-J., Koo, H. C. (2018). An InSb-based magnetoresistive biosensor using Fe3 O4 nanoparticles. Sensors and Actuators B: Chemical, 255, 2894—2899. https://doi.org/10.1016/j. snb.2017.09.108

Xu, J., He, X., Xu, K., Liao, H., Zhang, C. (2023). Synthesis and optimization strategies of nanostructured metal oxides for chemiresistive methanol sensors. Ceramics International, 49(13), 21113—21132. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.03.274

Zhang, L., Xie, G., Liu, F., Ji, H. (2023). High hydrogen selectivity Pd-Ni alloy fi lm hydrogen sensor with hybrid organosilica membranes. Journal of Alloys and Compounds, 941, 168898. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.168898

Zhang, M., Wang, Y., Liu, K., Liu, Y., Xu, T., Du, H., Si, C. (2023). Strong, conductive, and freezing-tolerant polyacrylamide/PEDOT:PSS/cellulose nanofi brils hydrogels for wearable strain sensors. Carbohydrate Polymers, 305, 120567. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120567

Xu, T., Yang, L., Zhang, X., Lu, G., Bai, Z. (2023). A highly sensitive electrochemical sensor by growing Ag nanoparticles on the surface of PPy@PEDOT:PSS fi lm for detecting sodium hydroxymethanesulfi nate molecules. Food Chemistry: X, 18, 100701. https://doi.org/10.1016/j.fochx.2023.100701

Anil, A. G., Singh, S., Joji, J., Singh, J., Ramamurthy, P. C. (2023). Conducting Polymer Based Sensor. In Encyclopedia of Materials: Electronics (pp. 28—35). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819728-8.00125-X

Cai, J., He, Y., Zhou, Y., Yu, H., Luo, B., Liu, M. (2022). Polyethylene glycol grafted chitin nanocrystals enhanced, stretchable, freezing-tolerant ionic conductive organohydrogel for strain sensors. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 155, 106813. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.106813

Wu, Y., Ren, Y., Liang, Y., Li, Y. (2022). Semi-IPN ionogel based on poly (ionic liquids)/xanthan gum for highly sensitive pressure sensor. International Journal of Biological Macromolecules, 223, 327—334. https://doi.org/10.1016/j. ĳ biomac.2022.10.263

Naidonov, A., Koval, V., Barbash, V., Dusheiko, M., Yashchenko, O., Yakymenko, O. (2022). Nanocellulose-Based Biodegradable Bend Sensors. 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 292—297. https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927070

Tai, H., Wang, S., Duan, Z., Jiang, Y. (2020). Evolution of breath analysis based on humidity and gas sensors: Potential and challenges. Sensors and Actuators B: Chemical, 318, 128104. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128104

Rehman, H. M. M. U., Prasanna, A. P. S., Rehman, M. M., Khan, M., Kim, S.-J., Kim, W. Y. (2023). Edible rice paperbased multifunctional humidity sensor powered by triboelectricity. Sustainable Materials and Technologies, 36, e00596. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2023.e00596

Tseng, S.-F., Tsai, Y.-S. (2022). Highly sensitive humidity sensors based on Li-C3N4 composites on porous graphene fl exible electrodes. Applied Surface Science, 606, 155001. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155001

Yoshida, A., Wang, Y.-F., Tachibana, S., Hasegawa, A., Sekine, T., Takeda, Y., Hong, J., Kumaki, D., Shiba, T., Tokito, S. (2022). Printed, all-carbon-based fl exible humidity sensor using a cellulose nanofi ber/graphene nanoplatelet composite. Carbon Trends, 7, 100166. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2022.100166

Neil Weste, D. H. (2022). CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective (Michael Hirsch, Ed.; 4th ed.).

Lapshuda, V., Koval, V., Barbash, V., Dusheiko, M., Yashchenko, O., Malyuta, S. (2022). Flexible Humidity Sensors Based on Nanocellulose. 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 208—212. https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927092

Lapshuda, V., Koval, V., Barbash, V., Dusheiko, M., Yaschenko, O., Yakymenko, O. (2023). Nanocellulose-Based Composites for Flexible and Biodegradable Humidity Sensors for Breath Monitoring. IEEE Sensors Letters, 7(10), 1—4. https://doi.org/10.1109/LSENS.2023.3311669

Zhang, Z., Chen, M., Alem, S., Tao, Y., Chu, T.-Y., Xiao, G., Ramful, C., Griffi n, R. (2022). Printed fl exible capacitive hu mi dity sensors for fi eld application. Sensors and Actuators B: Chemical, 359, 131620. https://doi.org/10.1016/j.snb. 2022.131620

Ramaprasad, A. T., Rao, V. (2010). Chitin-polyaniline blend as humidity sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 148(1), 117—125. https://doi.org/10.1016/j.snb.2010.05.044

Yu, C., Gong, H., Zhang, Z., Ni, K., Zhao, C. (2021). Optical fi ber humidity sensor based on the vernier eff ect of the Fab ryPerot interferometer coated with PVA. Optical Fiber Technology, 67, 102744. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102744

Chen, Q., Mao, K., Yao, Y., Huang, X., Zhang, Z. (2022). Nanodiamond/cellulose nanocrystals composite-based acoustic humidity sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 373, 132748. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132748

Li, X., Tan, Q., Qin, L., Zhang, L., Liang, X., Yan, X. (2022). A high-sensitivity MoS2/graphene oxide nanocomposite humidity sensor based on surface acoustic wave. Sensors and Actuators A: Physical, 341, 113573. https://doi.org/10.1016/j. sna.2022.113573

Zhao, F., Cheng, H., Zhang, Z., Jiang, L., Qu, L. (2015). Direct Power Generation from a Graphene Oxide Film under Moisture. Advanced Materials, 27(29), 4351—4357. https://doi.org/10.1002/adma.201501867

Luo, Q., Huang, Y., Lei, Z., Peng, J., Xu, D., Guo, X., Wu, Y. (2021). Wood-derived nanocellulose hydrogel incorporating gold nanoclusters using in situ multistep reactions for effi cient sorption and sensitive detection of mercury ion. Industrial Crops and Products, 173, 114142. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.114142

Thi Thanh Hop, T., Thi Mai, D., Duc Cong, T., Thi Y. Nhi, T., Duc Loi, V., Thi Mai Huong, N., Trinh Tung, N. (2022). A com prehensive study on preparation of nanocellulose from bleached wood pulps by TEMPO-mediated oxidation. Results in Chemistry, 4, 100540. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2022.100540

Lapshuda, V., Koval, V., Barbash, V., Dusheiko, M., Yaschenko, O., Yakymenko, O. (2022). Capacitive and Resistive Humidity Sensors Based on Flexible Nanocellulose Film for Wearable Electronics. Radioelectron. Commun. Syst., 65, 597— 608. https://doi.org/10.3103/S0735272722120019

Kumar Trivedi, A., Kumar, A., Gupta, M. K. (2023). Extraction of nanocellulose from wheat straw and its characterization. Materials Today: Proceedings, 78, 48—54. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.11.038

Zhang, C., Jiang, Q., Liu, A., Wu, K., Yang, Y., Lu, J., Cheng, Y., Wang, H. (2020). The bead-like Li3 V2 (PO4 )3 /NC na no fi bers based on the nanocellulose from waste reed for long-life Li-ion batteries. Carbohydrate Polymers, 237, 116134. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116134

Anyanwu, B. U., Oluwole, O. O., Fayomi, O. S. I., Olorunnisola, A. O., Popoola, A. P. I., Kuye, S. I. (2021). Synthesis, corrosion and structural characterization of kenaf nanocellulose on Zn—ZnO—Cn electrolytic coatings of mild steel for advanced applications. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, 3, 100017. https://doi.org/10.1016/j.cscee.2020.100017