[发明专利]石墨烯基三元复合薄膜气体传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米复合材料和气体传感器技术领域，具体涉及一种石墨烯基三元复合薄膜气体传感器及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜、只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯的出现在科学界激起了巨大波澜，其非同寻常的导电性能、优异的机械与光学性能等特性使得石墨烯在现代电子科学领域引发了新一轮革命。石墨烯作为气体传感器有着非常大的优势，首先石墨烯是二维材料，所有碳原子都暴露在吸附气体分子中，意味着在单元空间中可提供最大的敏感面积；其次，石墨烯原子级的厚度为气体分子的扩散和电荷转移提供了新的途径；第三，石墨烯的约翰逊噪音非常小，使得石墨烯传感器的灵敏度非常高；第四，探针法的测量可以在石墨烯晶体上实现，并且形成欧姆接触，电阻非常小。此外，石墨烯在气体传感器领域还具有实际应用的优势，如成膜方法与传统印刷工艺的良好兼容性以及良好的稳定性能等。作为一种新型气敏材料，石墨烯气体传感器用于气体分子检测时具有良好的电学特性、较高的灵敏度和较低的检测极限，但选择性能较差；同时，敏感膜优异的化学性能也依赖于石墨烯良好的分散性，而单一石墨烯则因为作用和高表面积易于团聚。  

金属纳米材料具有优异的机械性能、物理性能和化学性能，利用铂、金、银等对导电聚合物进行修饰能够有效地增强电学特性和化学活性；而金属氧化物具有较高的化学稳定性和各异的半导体特性，可与导电聚合物形成异质结结构，改变势垒高度，提高复合材料的半导体特性。将金属或金属氧化物纳米材料与石墨烯复合能增强石墨烯电学特性和机械特性，有研究表明，将具备正四面体金红石型结构的二氧化锡均匀附着在石墨烯表面构成复合材料，能够明显提高材料的硬度、导电率和电化学容量等性能，因此该类复合材料在气体传感器、超级电容器、太阳能电池等技术领域受到广泛关注。

导电聚合物属于高分子材料，由于其结构多样化、环境稳定性好、易加工而成为研究热点。但纯的导电聚合物一般是绝缘体，单一材料存在导电率低、比电容值不高、价格昂贵等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯基三元复合薄膜气体传感器及其制备方法，使不同复合材料之间形成增益互补机制，增强复合材料体系的气体敏感特性和稳定性，满足实用化的需求。

本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案：

石墨烯基三元复合薄膜气体传感器，它由三元复合薄膜和基片构成，三元复合薄膜由石墨烯、金属或金属氧化物纳米颗粒、导电聚合物复合而成，所述三元复合薄膜分为分层膜和单层膜，所述分层膜由沉积在基片上的石墨烯层和覆盖在石墨烯层上的由金属或金属氧化物纳米颗粒与导电聚合物形成的复合层构成，所述单层膜由石墨烯、金属或金属氧化物纳米颗粒和导电聚合物三种材料混合复合而成。

进一步地，所述基片为叉指电极（IDTs）、声表面波振荡器（SAW）或石英晶体微天平(QCM)。

进一步地，所述石墨烯材料为化学还原氧化石墨烯、本征石墨烯以及它们的量子点、纳米片、纳米带或纳米线形态的粉末、溶胶或分散液。

进一步地，所述金属纳米颗粒包括金、钯、铂、银、钛、锡、镍、钴、锰或镧纳米颗粒；金属氧化物纳米颗粒为金、钯、铂、银、钛、锡、镍、钴、锰或镧的氧化形态的纳米颗粒。

进一步地，导电聚合物单体为苯胺单体及其衍生物、吡咯单体及其衍生物或噻吩单体及其衍生物。 

本发明还公开了石墨烯基三元复合薄膜气体传感器的制备方法，制备单层膜气体传感器包括如下步骤：

① 清洗基片，并对基片进行亲水处理和静电处理；

② 利用磁力搅拌或超声工艺，制备石墨烯、金属或金属氧化物纳米颗粒复合分散液；

③ 在②得到的复合分散液中加入导电聚合物单体，并调节聚合参数；

④ 加入聚合助剂；

⑤在步骤④的基础上，分两种方式，第一种：待聚合反应发生时，将基片置入聚合溶液中，进行原位聚合自组装；然后取出基片，清洗并干燥，置于真空干燥箱中保存，获得三元复合自组装单层膜气体传感器；第二种：复合溶液经过充分原位聚合反应后，通过过滤、洗涤和研磨得到反应产物，配置成复合分散液；通过旋凃、喷涂或滴涂在基片上沉积薄膜，获得三元复合自组装单层膜气体传感器。

制备分层膜气体传感器包括如下步骤：

① 清洗基片，并对基片进行亲水处理和静电处理； 

② 利用磁力搅拌或超声工艺，制备石墨烯分散液；再通过旋凃、喷涂或滴涂在基片上沉积一层石墨烯薄膜；