[发明专利]基于聚苯胺/石墨烯纳米带/二氧化硅/硅的氨气传感器

说明书

技术领域

本发明属于氨气传感器领域，具体涉及一种基于聚苯胺/石墨烯纳米带/二氧化硅/硅的氨气传感器。

背景技术

氨气是一种无色气体，有强烈的刺激性气味，在工业和医药领域有很广泛的用途。然而，氨气具有腐蚀性，且若不慎被吸入或直接接触，会对人的呼吸道、眼睛和皮肤产生严重危害。因此，在人们的生产生活中对氨气进行探测具有重要的意义。

为了得到安全，高敏感性且成本较低的气体传感器，人们研发了多种材料。过去，多数气体传感器都是基于金属氧化物和导电聚合物材料制成的。其中，一些金属氧化物传感器因其具有制备工艺简单，价格低廉等优点而被广泛关注。但是，由于多数金属氧化物(如ZnO、TiO₂、SnO₂等)需要在高温下工作才能对气体分子有较高的敏感性，因而限制了这类传感器在很多领域的应用。此外，导电聚合物气体传感器可以在室温下工作，但具有寿命短，稳定性差的缺点。

近年来，新型纳米碳材料(碳纳米管、石墨烯等)的气体敏感性能正在引起人们的关注。纳米碳材料具有独特而优异的性质(如小尺寸、大比表面积等)，而且随着制备技术的发展，基于纳米碳材料的气体传感器的制备成本大幅降低。目前，研究人员已经发现碳纳米管[Science,2000,287:622-625.]和石墨烯[Nature Mater.,2007,6:652-655.]对某些气体(如二氧化氮、氨气等)具有明显的敏感性。此外，基于纳米碳材料的结构特点，人们发现对其进行适当的修饰，可以实现其对特定气体的测量。石墨烯纳米带是一种新的准一维石墨烯基材料，具有很高的长径比和整齐的边界。石墨烯纳米带综合了石墨烯和碳纳米管的结构和性质，使其成为一种理想的气体探测替换材料，而且其在氢气探测方面的应用已经得到了证实[Adv.Mater.,2010,22:4877-4880.]。

近来，基于碳/硅异质结，我们研发了一种具有氢气敏感特性的钯修饰石墨烯纳米带/二氧化硅/硅材料[J.Mater.Chem.A,2014,2:15931-15937.]。然而，目前还没有采用聚苯胺/石墨烯纳米带/二氧化硅/硅材料探测氨气的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于聚苯胺/石墨烯纳米带/二氧化硅/硅的氨气传感器及该传感器的制备方法。

下面简要阐述本发明的实现过程。首先选用厚度为0.5毫米的单晶硅片作为基底，保留其自然氧化层，清洗硅片以获得干净的表面，使用抽滤法在滤纸表面均匀附着一层氧化石墨烯纳米带薄膜，再使用转印法将氧化石墨烯纳米带薄膜转移到硅片上，经过低温还原后得到石墨烯纳米带/二氧化硅/硅材料，然后使用化学方法在石墨烯纳米带表面修饰一层聚苯胺薄膜，得到聚苯胺/石墨烯纳米带/二氧化硅/硅材料，最后分别在该材料的上下表面涂上银胶和铟金属层作为上下电极。

本发明所述的基于聚苯胺/石墨烯纳米带/二氧化硅/硅的氨气传感器的制备方法，其步骤如下：

(1)将2.5毫克氧化纵向剥离多壁碳纳米管制备的氧化石墨烯纳米带加入30毫升去离子水中，超声(功率为40瓦)分散5分钟，得到氧化石墨烯纳米带溶液；

(2)将步骤(1)中所述的氧化石墨烯纳米带溶液置于滤膜(醋酸纤维素滤膜)孔径为0.44微米的抽滤装置中，真空抽滤，使滤纸上表面均匀附着一层氧化石墨烯纳米带薄膜，将滤纸取出，在80℃下干燥1小时，之后将滤纸浸渍在去离子水中使其保持湿润；

(3)依次用乙醇、丙酮和去离子水在超声波(功率为100瓦)中清洗硅片5分钟；

(4)将上述步骤(2)中制备的滤纸进行裁剪，得到边长为1厘米的正方形滤纸片，使用转印的方法，将滤纸贴在硅衬底上，使滤纸的上表面与衬底接触，将重量为2千克的不锈钢砝码压在滤纸上以增强滤纸与衬底之间的粘合力，在60℃下干燥4小时，取走砝码，使用丙酮溶液洗掉滤纸，得到氧化石墨烯纳米带/二氧化硅/硅材料；

(5)将上述步骤(4)中制备的氧化石墨烯/二氧化硅/硅材料置于管式炉中，通入氮气，加热到300℃，保温2小时，得到低温还原的石墨烯纳米带/二氧化硅/硅材料；

(6)将183.5微升苯胺，5毫升盐酸(浓度为1摩尔/升)和60毫升去离子水混合搅拌得到酸性苯胺溶液，同时，将0.45克过硫酸铵与40毫升去离子水混合搅拌得到过硫酸铵水溶液；