一種微納米球-石墨烯氣體傳感器及其制備方法技術

本發明專利技術提供了一種微納米球?石墨烯氣體傳感器及其制備方法。所述氣體傳感器包括基底、叉指電極和氣敏涂層，叉指電極位于基底之上，氣敏涂層至少部分地覆蓋在叉指電極的表面。所述氣敏涂層包括微納米球?石墨烯復合材料，其中石墨烯包覆在微納米球的表面。本發明專利技術的微納米球?石墨烯氣體傳感器與純的石墨烯氣體傳感器相比，具有較高的響應值和較強的重復穩定性，并且隨著氣敏涂層厚度的增加，響應值無大幅衰減。本發明專利技術提出的微納米球?石墨烯三維導電網絡結構能夠作為一種石墨烯氣體傳感器的通用模板來提升傳感器的性能，并根據不同的氣體對石墨烯進行相應的修飾，以達到理想的效果。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于氣體檢測
，具體涉及一種微納米球-石墨烯三維導電網絡結構的氣體傳感器及其制備方法。
技術介紹
氣體傳感器對環境監測、人們的身體健康、軍事國防等具有重要的意義。石墨烯作為一種高表面積的常溫導電材料，近年來也在氣體傳感器方面嶄露頭角。一方面，常溫下導電的性能使得石墨烯能夠在室溫下進行工作，另一方面，它的高表面積為氣體傳感提供了相當多的活性位點。還原氧化石墨烯是使用物理或者化學方法將氧化石墨烯還原得到的部分還原的石墨烯，具有半導體的特性，價格低廉，且能夠通過簡單的方法實現大規模制備。與其它方法制備的石墨烯相比，在表面也具有更多的基團，同時內部也具有大量的缺陷，為氣體分子的選擇性吸附提供了大量的活性位點。這種材料不僅能根據制備方法的不同呈現出不同的p型或者n型的半導體特性，而且能在還原的過程中通過使用不同的還原劑來調控表面的基團，從而實現對特定氣體的選擇性響應，因此是一種理想的氣體傳感材料。理論上，單層的還原氧化石墨烯有最大的比表面積，如果傳感材料完全由單層的石墨烯構成，將獲得最理想的傳感效果。然而，這樣的單層石墨烯在敏感的同時，也十分脆弱，容易受外界環境和一些不可抗力的影響，一旦出現損壞，修復難度極大，這將極大的降低器件的整體穩定性，限制基于其實際應用。即使能夠充分排除外界干擾，將單層的石墨烯均勻的鋪在電極表面并非一件容易的事。在溶液干燥的過程中，納米材料會發生不可避免的團聚。兼之咖啡環效應會使得納米材料在表面的分布不均一，從而對器件性能產生嚴重影響。
技術實現思路
盡管石墨烯已經被證明是一種優良的氣體傳感材料，但上述現有技術的不足阻礙了它的實際應用。因此，為了克服這個問題，本專利技術提出了一種以微納米球作為支撐的靜電自組裝方案，使單層的石墨烯包裹在絕緣的微納米球上，這種復合結構中，球與球之間的堆積，避免了石墨烯的團聚，使石墨烯在形成有效導電網絡的同時，有效表面積得到大幅提高，從而達到提升其傳感性能的目的。因此，制備出基于微納米球支撐的三維導電石墨烯網絡結構的氣體傳感器，對于提高材料的傳感性能具有重要意義，目前還沒有此方面的相關報道。本專利技術提供了一種微納米球-石墨烯氣體傳感器及其制備方法，得到的氣體傳感器
性能相對純的石墨烯來說，有了大幅度的提高。本專利技術的第一方面，提供了一種微納米球-石墨烯氣體傳感器，包括基底、叉指電極和氣敏涂層。叉指電極位于基底之上，氣敏涂層至少部分地覆蓋在叉指電極的表面，氣敏涂層包括微納米球-石墨烯復合材料，其中石墨烯包覆在微納米球的表面。優選地，所述基底選自硅基底、聚合物基底、陶瓷基底和藍寶石基底中的一種或幾種。優選地，所述叉指電極由微機械加工工藝得到，叉指電極的正負電極間距為300～800微米，相鄰叉指的間距為10～500微米。優選地，所述微納米球可以為無機微納米球，例如二氧化硅微納米球、碳微納米球；也可以為有機聚合物微納米球，例如聚苯乙烯微納米球、聚甲基丙烯酸甲酯微納米球；還可以為金屬氧化物微納米球，例如二氧化鈦微納米球、二氧化錫微納米球中；所述微納米球的粒徑為100納米～2微米。優選地，所述石墨烯的平均尺寸介于500納米～5微米之間，所述微納米球-石墨烯復合材料中微納米球的質量百分比為90～99％，石墨烯的質量百分比為10～1％。本專利技術的第二方面，提供了上述氣體傳感器的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：步驟一、將微納米球分散在溶劑中，加入修飾劑，在常溫下攪拌反應后，經離心洗滌得到表面修飾的微納米球；步驟二、將表面修飾的微納米球溶于溶劑中，超聲分散得到第一溶液；步驟三、將氧化石墨烯溶于溶劑中，超聲分散得到第二溶液；步驟四、將第一溶液與第二溶液混合，攪拌后，經離心洗滌、干燥后得到微納米球-氧化石墨烯復合材料；步驟五、將微納米球-氧化石墨烯復合材料制成分散液，將分散液滴加到叉指電極表面，干燥后形成覆蓋有微納米球-氧化石墨烯復合材料薄膜的器件；步驟六、將覆蓋有微納米球-氧化石墨烯復合材料薄膜的器件進行熱處理或者化學還原處理，得到微納米球-石墨烯氣體傳感器。優選地，步驟一中所述微納米球為二氧化硅微納米球，粒徑為120納米、430納米或1.25微米。所述溶劑為水或乙醇。所述攪拌反應的時間為24小時。所述離心洗滌優選為交替進行離心、洗滌各3次。所述修飾劑為含氨基的修飾劑，例如3-氨丙基三甲氧基硅氧烷，得到的所述表面修飾的微納米球為表面帶正電荷的氨基修飾的二氧化硅微納米球。優選地，步驟三中所述氧化石墨烯的平均尺寸為400納米、1.5微米或3.5微米。步驟二和步驟三中所述溶劑為水或乙醇，所述超聲分散的時間為10～20分鐘。優選地，步驟四中所述攪拌為磁力攪拌或機械攪拌，攪拌速度為50～1000rpm，攪拌時間為12小時。所述離心洗滌優選為交替進行離心、洗滌各3次。所述干燥為50℃真空干燥24小時。優選地，步驟五中所述分散液的制備方法為：將微納米球-氧化石墨烯復合材料以1～10mg/mL的濃度加入至水或乙醇中，以50～100kHz的超聲波處理10～20分鐘，使微納米球-氧化石墨烯復合材料均勻分散在水或乙醇中，從而得到分散液。所述干燥為50℃烘箱中干燥24小時。所述叉指電極為金叉指電極，其采用微機械加工方法在基底上加工制備而形成。優選地，步驟六中所述熱還原的溫度為180～800℃，更優選為200℃、250℃或300℃，反應時間為1～24小時。所述化學還原所使用的還原劑選自于水合肼、N,N-二甲基甲酰胺、對苯二胺、鄰氨基硫代苯酚、乙酰丙酮、葡萄糖中的一種或幾種，反應時間為1～24小時。本專利技術得到的微納米球-石墨烯氣體傳感器與純的石墨烯氣體傳感器相比，具有較高的響應值和較強的重復穩定性，并且隨著氣敏涂層厚度的增加，響應值無大幅衰減。本專利技術提出的微納米球-石墨烯三維導電網絡結構能夠作為一種石墨烯氣體傳感器的通用模板來提升傳感器的性能，并根據不同的氣體對石墨烯進行相應的修飾，以達到理想的效果。以下將結合附圖對本專利技術的構思、具體實例及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本專利技術。提供這些說明的目的僅在于幫助解釋本專利技術，不應當用來限制本專利技術的權利要求的范圍。附圖說明圖1是本專利技術一個較佳實施例的微納米球-石墨烯氣體傳感器的結構示意圖；圖2是本專利技術一個較佳實施例的二氧化硅微納米球-石墨烯復合材料的掃描電鏡照片；圖3是熱還原的純石墨烯和本專利技術一個較佳實施例的熱還原的二氧化硅微納米球-石墨烯三維導電網絡結構氣敏涂層在室溫下對5～50ppm濃度氨氣的響應曲線對比圖；圖4是本專利技術不同厚度的二氧化硅微納米球-石墨烯三維導電網絡結構氣敏涂層經熱還原處理制備的氣體傳感器在室溫下對50ppm濃度氨氣的響應性能變化曲線圖；圖5是化學還原的純石墨烯和本專利技術一個較佳實施例的化學還原的二氧化硅微納米球-石墨烯三維導電網絡結構氣敏涂層在室溫下對5～50ppm濃度氨氣的響應曲線對比圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的實施做詳細的說明。本實施例在以本專利技術的技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本專利技術的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1本專利技術實施例1的微納米球-石墨烯氣體傳感器的結構如圖1所示，其制備方法如下：步驟一、將100毫克二氧化硅微納米球分散于100毫升乙醇中，加入10本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種微納米球?石墨烯氣體傳感器，包括基底、叉指電極和氣敏涂層，其特征在于，所述叉指電極位于所述基底之上，所述氣敏涂層至少部分地覆蓋在所述叉指電極的表面，所述氣敏涂層包括微納米球?石墨烯復合材料，其中所述石墨烯包覆在所述微納米球的表面。

【技術特征摘要】
1.一種微納米球-石墨烯氣體傳感器，包括基底、叉指電極和氣敏涂層，其特征在于，所述叉指電極位于所述基底之上，所述氣敏涂層至少部分地覆蓋在所述叉指電極的表面，所述氣敏涂層包括微納米球-石墨烯復合材料，其中所述石墨烯包覆在所述微納米球的表面。2.如權利要求1所述的微納米球-石墨烯氣體傳感器，其中所述基底選自硅基底、聚合物基底、陶瓷基底和藍寶石基底中的一種或幾種。3.如權利要求1所述的微納米球-石墨烯氣體傳感器，其中所述叉指電極由微機械加工工藝得到，所述叉指電極的正負電極間距為300～800微米，所述叉指電極的相鄰叉指的間距為10～500微米。4.如權利要求1所述的微納米球-石墨烯氣體傳感器，其中所述微納米球為無機微納米球、有機聚合物微納米球或金屬氧化物微納米球，所述微納米球的粒徑為100納米～2微米。5.如權利要求1所述的微納米球-石墨烯氣體傳感器，其中所述石墨烯的平均尺寸介于500納米～5微米之間，所述微納米球-石墨烯復合材料中所述微納米球的質量百分比為90～99％，所述石墨烯的質量百分比為10～1％。6.如權利要求1所述的微納米球-石墨烯氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：步驟一、將所述微納米球分散在溶劑中，加入修飾劑，在常溫下攪拌反應后，經離心洗滌得到表面修飾的微納米球；步驟二、將步驟一得到的表面修飾的微納米球溶于溶劑中，超聲分散得到第一溶液；步驟三、將氧化石墨烯溶于溶劑中，超聲分散得到第二溶液；步驟四、將所述第一溶液與所述第二溶液混合、攪拌后，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊志，黃達，王帥，胡南滔，蘇言杰，張亞非，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海;31