[发明专利]一种基于三维多孔石墨烯@量子点复合材料的气敏传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于三维多孔石墨烯@量子点复合材料的气体传感器及其制备方法，将制备的三维多孔石墨烯和SnO₂量子点混合，得到三维多孔石墨烯@量子点复合材料复合材料，将三维多孔石墨烯@量子点复合材料旋涂在电极片上，得到三维多孔石墨烯@量子点复合材料的气敏传感器。本发明通过将“准零维”材料量子点与三维多孔石墨烯组成复合材料，利用量子点小尺寸、大比表面积、高活性的优势和三维石墨烯超高的载流子迁移率，从而得到基于三维石墨烯@量子点复合材料的气敏传感器。通过本发明的方法制备的气敏传感器能在较低的工作温度下检测低浓度目标气体。此制备方法工艺简单，并且可控，适合于气敏传感器的大量制备。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种纳米气敏传感器及其制备方法，具体涉及一种基于三维多孔石墨烯@量子点复合材料的气敏传感器及其制备方法。

背景技术

石墨烯结构层中的碳原子之间形成的σ键具有超强的键能，使其具有高硬度的特性；而与平面垂直的π电子构成的自由电子网络，使石墨烯具有了独特的导电和导热特性；相比较于传统的导体，在石墨烯表面上的空穴迁移率远远超出，这使得石墨烯具备了极高的传输性与自由的电子移动空间，传统的二维石墨烯具有诸多优点，但是单层石墨烯仅有0.34 nm的厚度，肉眼难以辨识、难以操作，这大大限制了石墨烯在某些宏观器件中的应用。三维石墨烯指的是在二维石墨烯的基础上组成的多孔结构材料，三维石墨烯是由二维石墨烯的单片层堆垛而成，不仅继承了二维石墨烯的优异性能，而且比表面积更大、电子传输速度更快、机械强度更高、肉眼可见、便于操作、更适合具体应用。

二氧化锡(SnO₂)为淡黄色、白色或淡灰色粉末，在室温下具有较宽的带隙能（3.6eV）和较小的激子结合能（130 meV）。同时SnO₂还具备优异的热力学、机械稳定性和催化活性较高的优点，所以科研工作者对其使用价值进行了大量的研究。由其制备的传感器适用于对部分可燃、毒害、污染气体的监测。作为零维半导体材料，量子点在室温下具有优异的成膜性，且在器件制造期间不需要高温煅烧，降低了制造成本。此外，低温的制备过程可以使制备的材料更适应于室温检测；其次，量子点大小一般在20 nm以内，由于其体积小、表面积大、活性高，在气体分子的吸附反应过程中有利；除此之外，依据其尺寸效应的可调带隙，量子点可以更容易地与其他气敏材料结合。因此，它是制备低功率高性能气体传感器的理想气敏材料。在2004年，英国曼彻斯特大学的康斯坦丁·诺沃肖洛夫和安德烈海姆在试验中发下了石墨烯的存在，通过该发现在2010年获得诺贝尔奖。由于其出色的理论性质，科研人员在石墨烯材料行业投入相当大的精力。比如石墨烯结构层中碳原子之间形成的σ键，使其具有高硬度特性；垂直于平面的π电子组成的自由电子网络使得石墨烯具有独特的导电和导热特性；与传统导体相比，石墨烯表面的空穴迁移率远远超出，这使得石墨烯具有极高的透射率和电子运动的自由空间。因此，石墨烯基材料，包括还原氧化石墨烯基材料，被许多人认为是有前途的气敏材料。然而，量子点和石墨烯也有它们的缺点。低载流子迁移率限制了量子点材料在传感器领域的应用，石墨烯的光生载流子的超快复合、低光吸收、易聚集和低色散等。这些不足也阻碍了这种材料在气体传感器中的应用。现有的气敏传感器采用单一石墨烯材料且是二维，材料的载流子迁移率低,导致气敏传感器工作温度高。二维石墨烯复合材料比表面积小,载流子迁移率低,未能发挥纳米晶材料优势,导致气敏传感器响应度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于三维多孔石墨烯@量子点复合材料的气敏传感器及其制备方法，能在较低的工作温度下检测低浓度目标气体，且制备方法简单、可控，适合于气敏传感器的大量制备。

为解决上述技术问题，本发明提供一种三维多孔石墨烯@量子点复合材料的制备方法，包括以下步骤：

以天然石墨鳞片为前驱体制备氧化石墨烯(GO) 分散液，通过氨基化聚苯乙烯微球(PS 微球)制备带正电的微球（PAS 微球），将带负电的GO分散液包裹在三维模板 PAS 微球表面，最后去除PAS 微球得到三维多孔石墨烯；