[发明专利]石墨烯/二氧化锡纳米复合电阻型薄膜气体传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有室温气敏响应特性的纳米复合电阻型薄膜气体传感器及其制作方法，尤其是石墨烯/二氧化锡纳米复合电阻型薄膜气体传感器及其制作方法。

背景技术

社会的进步和技术的发展为传感器的研究和应用提供了广阔的空间。气体传感器是一类重要的化学传感器，在工业生产、过程控制、环境监测和保护以及反恐等领域有着广泛的应用，并在现代科技发展和人们生活中起着日益重要的作用。研制具有高灵敏度、低成本、小型化、低功耗等优点的高性能气体传感器受到了国内外广泛关注，而要实现传感器性能的优化，关键在于开发具有同时优异响应特性的气敏材料。当前以二氧化锡、二氧化钛等为代表的无机半导体是应用最为广泛的气敏材料之一，其具有制备简便，检测气体种类多等优点，但同时也存在一些不足，如响应灵敏度不够高，响应回复性和响应时间等还不够理想等。特别是这类气敏材料和气体传感器通常需要加热在较高温度下才能具有气敏响应。这使得其能耗较高，难以制备便携式仪表。同时高的工作温度影响传感器的稳定性，而且不适宜在存在易爆气体的场所使用，使其应用受到一定限制。为了解决这一问题，降低传感器工作温度以致实现室温检测，通常采用将无机半导体气敏材料与贵金属等掺杂，将材料纳米化，或者将其与导电高分子气敏材料复合等方法，以期提高敏感材料比表面积，促进气体吸附及敏感膜表面反应动力学过程等，从而增加在室温下的响应灵敏度。近年来，纳米结构碳材料研究十分活跃，从零维的富勒烯发展到一维碳纳米管和二维石墨烯。它们在传感器的制备及性能改进上的研究也受到重视。已经有很多报道利用碳纳米管的纳米尺寸效应及极大的比表面积制备得到了高灵敏度，快响应的气体传感器。研究还发现石墨烯与无机半导体气敏材料复合可明显提高其响应灵敏度，并加快响应，甚至有望实现室温下的高灵敏度气体响应。这方面研究目前已成为传感器研究的重要方向之一，发展非常迅速。

发明内容

本发明的目的是提供一种在室温下具有高灵敏度气体响应特性的石墨烯/二氧化锡纳米复合电阻型薄膜气敏传感器及其制作方法。

本发明的石墨烯/二氧化锡纳米复合电阻型薄膜气体传感器，具有陶瓷基体，在陶瓷基体表面光刻和蒸发有多对叉指金电极，在叉指金电极上连接有引线，在陶瓷基体和叉指金电极表面涂覆有气敏薄膜，该气敏薄膜为石墨烯和二氧化锡的纳米复合物。

石墨烯/二氧化锡纳米复合电阻型薄膜气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

（1）清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

（2）配制浓度为0.01 mg/mL~5 mg/mL氧化石墨烯水溶液，然后加入二水合二氯化锡和脲，氧化石墨烯水溶液、二水合二氯化锡和脲的重量比为1：0.00225~0.1125：0.005~0.05，搅拌及超声波振荡使充分混合，制得前驱体溶液，将前驱体溶液加入水热釜中在80~120℃下反应1~12小时，制得石墨烯/二氧化锡纳米复合物溶液；

（3）将步骤（2）制备的石墨烯/二氧化锡纳米复合物溶液滴涂在步骤（1）的具有陶瓷基底的叉指金电极表面，在80～140℃下热处理0.5～3小时，制得石墨烯/二氧化锡纳米复合电阻型薄膜气体传感器。

本发明的优点是：

1）所制备的石墨烯/二氧化锡复合物具有精细的三维纳米结构，大的比表面积，使传感器在室温下具有很高的响应灵敏度，快速响应和良好的响应可逆性，解决了二氧化锡气体传感器通常需要加热在高温下才能工作的问题。

2）采用水热法一步合成石墨烯/二氧化锡复合物，方法操作简单，成本低廉，简单易行。而且可以通过控制水热时间，水热温度及前驱体溶液的组成等参数方便地实现复合物的组成、结构和形貌等的调控。

3）纳米复合物前驱体中氧化石墨烯的引入，为二氧化锡纳米晶粒的生长提供了良好的模板，由此可以获得尺寸很小的二氧化锡纳米粒子，其可以紧密分布在还原的石墨烯纳米片层上，同时还可进行组装形成花瓣状纳米片填充石墨烯片层空隙，形成具有极大比表面积的三维纳米结构，可极大地促进气体吸附和扩散，有利于提高响应灵敏度。此外，氧化石墨烯的引入还可以促进二氧化锡选择性地沿某些晶面取向生长，这也可促进其与检测气体之间催化反应，提高响应灵敏度。

4）纳米复合物中石墨烯的引入，可显著提高复合气体传感器的导电性，避免通常二氧化锡气体传感器因其室温电阻过高，响应灵敏度极低而难以实现室温检测的问题。

5）采用氯化亚锡作为二氧化锡的前驱体，比四氯化锡等做前驱体更容易制备得到具有纳米尺寸的大比表面积二氧化锡晶体，且水热反应温度较低，时间较短。