[发明专利]基于石墨烯/聚苯胺杂化材料的气体传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种纳米传感器及其制备方法，具体涉及一种基于石墨烯/聚苯胺杂化材料的气体传感器及其制备方法。

背景技术

随着纳米技术的发展，纳米气体传感器已获得长足的进展。尤其是为了满足工业生产和环境检测的迫切需要，金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米材料及二维纳米薄膜等都已经用来作为敏感材料构成气体传感器。

其中，石墨烯由于其独特的二维蜂窝结构，具有许多常规传感器材料不可替代的优点：一是其平面结构上所有碳原子完全裸露，具有非常大的比表面积，提供了大量气体通道，从而能够大大提高器件的灵敏度；二是其独特的二维结构以及高质量的晶格使得石墨烯在对气体分子响应时具有比碳纳米管更优异的信噪比。因此，它在生物、化学、机械、航空、军事等方面具有广泛的发展和应用前景。

各种制备方法，比如剥离法、化学气相沉淀法、外延生长法、化学或热还原氧化石墨法等，均可以用来制备气体响应用石墨烯材料。其中，化学还原氧化石墨烯由于其采用溶液法制备，方法简单，便于大规模制备，因此化学还原氧化石墨烯在传感领域具有十分广阔的应用前景。我们在Sensors and Actuators B:Chemicals中2012年第1期第107页撰文指出，采用对苯二胺还原制备出的还原氧化石墨烯对甲基膦酸二甲酯（DMMP）气体分子具有良好的传感灵敏度。

虽然化学还原氧化石墨烯作为传感材料已经取得了很大的进展，然而，石墨烯作为传感材料存在灵敏度受限的瓶颈。

因此，针对上述技术问题，有必要进一步研究，制备出对各种气体分子具有选择性响应的石墨烯气体传感器，以克服上述缺陷。

发明内容

单一石墨烯作为传感材料仍然存在灵敏度受限的瓶颈，有必要将石墨烯与其他的传感材料相复合，制备出杂化材料，充分发挥两种材料的优点，实现材料功能一体化，将大大提高传感器的传感性能。聚苯胺，作为性能优异的有机半导体分子，由于它的材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作等优点，在气体传感器研究方面已经成为热点。考虑将石墨烯与聚苯胺相结合，制备出石墨烯/聚苯胺杂化材料气体传感器，充分发挥两种材料性能的优点，对于提高传感器的性能具有非常重要的意义。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高灵敏度的基于石墨烯/聚苯胺杂化材料的气体传感器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的制备基于石墨烯/聚苯胺杂化材料的气体传感器的方法，包括下述步骤：

1、氧化石墨烯分散液的制备

将氧化石墨置于水中，40～100kHz的超声波处理1～3h，形成单片分散的悬浮液。

所述的氧化石墨通过Hummers法、Brodie法或Staudenmaier法制备而成。

所述的氧化石墨烯分散液浓度为0.5～3mg/mL。

2、氧化石墨烯/二氧化锰杂化材料的制备

在步骤1所得的氧化石墨烯分散液中加入四水合二氯化锰，磁力搅拌4～12h后，在10min～1h内滴入0.1～1moL/L的高锰酸钾溶液，磁力搅拌12～24h，得到的固体进行分离，乙醇洗，真空60℃干燥12～24h得到固体粉末。

所述的氧化石墨烯、四水合二氯化锰和高锰酸钾的摩尔比为1：1：1。

所述的分离是离心或者抽滤，离心速率为4500rad/min，抽滤滤膜孔径为0.22μm。

3、还原氧化石墨烯/二氧化锰杂化材料的制备

将步骤2所得的氧化石墨烯/二氧化锰杂化材料分散于体积比为1：1的N，N-二甲基甲酰胺和水的混合溶剂中，40～100kHz的超声波处理1～3h，加入对苯二胺，置于60～90℃油浴中，磁力搅拌12～24h，抽滤，乙醇洗，60℃真空干燥12～24h得到固体粉末。

所述的氧化石墨烯/二氧化锰杂化材料和对苯二胺的质量比为（1～3）：（3～1）。

4、石墨烯/聚苯胺杂化材料的制备

将步骤3所得的还原氧化石墨烯/二氧化锰杂化材料置于水中，用40～100kHz的超声波处理1～3h分散，加入配制好的1～2moL/L苯胺硫酸水溶液，室温搅拌反应12～24h，过滤，水洗，最后真空60℃干燥12～24h得到固体粉末。

所述的苯胺硫酸水溶液的配制方法是在苯胺中加入一定量浓硫酸后，用水稀释，超声数分钟形成透明溶液。

所述的还原氧化石墨烯/二氧化锰杂化材料和苯胺的质量比为（1～4）：（4～1）。