一種氧化鋅納米線-石墨烯氣體傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氣體傳感器及其制備方法，具體涉及一種氧化鋅納米線-石墨稀氣體傳感器及其制備方法，屬于氣體檢測技術領域。
【背景技術】
[0002]發展高靈敏和快速響應的新型傳感器，對環境監測、人們的身體健康、軍事國防等具有重要的意義。而在室溫條件下完成對氨氣的高靈敏度檢測則具有很高的經濟與環保價值。隨著納米技術的發展，基于納米材料的氣體傳感器已獲得長足進展。其中金屬氧化物半導體納米材料和石墨烯等都已經各自用來構建氣體傳感器。
[0003]其中，石墨烯由于獨特的二維納米結構，具有很多常規材料所不具備的優點:一是具有大的比表面積，可以為氣體提供通道，從而提高氣體響應的靈敏度；二是在室溫下具有良好的導電性，大大降低了氣體傳感的工作溫度，可以實現室溫下的氣體傳感；三是大大縮小了傳感器的尺寸。然而，單一的石墨烯作為傳感器仍然存在著一系列的瓶頸，包括靈敏度低和選擇性不好等缺點，因此有必要將石墨烯與其它的材料復合，實現材料與功能的一體化，發揮出兩種材料的優勢。氧化鋅納米線是一種重要的直接帶隙半導體材料，具有著較大的比表面積和良好的導電性，是用作構建高靈敏度傳感器的理想材料。將氧化鋅納米線與石墨烯復合，制備出基于氧化鋅納米線-石墨烯的氣體傳感器，對于提高材料的傳感性能具有重要意義。目前還沒有此方面的相關報道。
【發明內容】
[0004]本發明針對上述現有技術上的不足，提供了一種氧化鋅納米線-石墨烯氣體傳感器及其制備方法，得到的氣體傳感器性能相對于石墨烯氣體傳感器和氧化鋅納米線氣體傳感器來說，有了大幅度的提高。
[0005]本發明的第一方面，公開了一種氧化鋅納米線-石墨烯氣體傳感器，包括基底、叉指電極和氣敏涂層；叉指電極位于基底之上，氣敏涂層覆蓋在叉指電極的表面；氣敏涂層是氧化鋅納米線-石墨烯復合材料。
[0006]優選地，基底為硅基底、聚合物基底、陶瓷基底或藍寶石基底中的一種。
[0007]優選地，叉指電極由微機械加工工藝得到，叉指電極的正負電極間距為300?800 μ m，相鄰兩個叉指電極的間距為100?500 μ m。
[0008]優選地，氣敏涂層成分的質量百分比為:5?50%的氧化鋅納米線，50?95%的石墨稀。
[0009]本發明的第二方面，公開了上述氣體傳感器的制備方法，按照以下步驟進行:
[0010]步驟1，將氧化石墨烯溶于第一份溶劑，超聲15min制得第一份溶液；
[0011]步驟2，將氧化鋅納米線和表面活性劑共同溶于第二份溶劑，超聲15min制得第二份溶液；
[0012]步驟3，在攪拌狀態下，將第二份溶液與第一份溶液混合，持續攪拌2h，再離心洗滌3次，最后置于真空烘箱中50°C干燥24h，得到氧化鋅納米線-氧化石墨烯復合材料；
[0013]步驟4，將氧化鋅納米線-氧化石墨稀復合材料進行退火，得到氧化鋅納米線-石墨烯復合材料；
[0014]步驟5，將氧化鋅納米線-石墨烯復合材料制成分散液，將分散液滴加到叉指電極表面，烘干后形成所述氣敏涂層，測試氣體傳感性能。
[0015]優選地，第一溶劑與第二溶劑是指:去離子水、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、甲醇、乙醇或丙酮之中的一種或者任意多種的組合物。
[0016]優選地，表面活性劑為聚乙稀啦略燒酬、十一■燒基硫酸納、十一■燒基苯橫酸納、十六烷基三甲基溴化銨、檸檬酸銨之中的一種。
[0017]優選地，攪拌為磁力攪拌或機械攪拌，攪拌速度為10?500rpm。
[0018]優選地，分散液是指:以I?10mg/L的濃度將氧化鋅納米線-石墨烯復合材料加入至第三份溶劑中，以50?10KHz超聲波處理10?20min，使氧化鋅納米線-石墨稀復合材料均勻分散在第三份溶劑中，從而得到分散液。
[0019]優選地，第三份溶劑是指:去離子水、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、甲醇、乙醇或丙酮之中的一種或者任意多種的組合物。
[0020]以下將結合附圖對本發明的構思、具體實例及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明。提供這些說明的目的僅在于幫助解釋本發明，不應當用來限制本發明的權利要求的范圍。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明一個較佳實施例制備的氣體傳感器結構示意圖；
[0022]圖2為本發明一個較佳實施例制備的氧化鋅納米線-石墨烯復合材料的掃描電鏡照片；
[0023]圖3為純石墨烯在室溫下對50ppm濃度氨氣的響應曲線圖；
[0024]圖4為本發明一個較佳實施例制備的氧化鋅納米線-石墨烯復合材料在室溫下對50ppm濃度氨氣的響應曲線圖；
[0025]圖5為本發明一個較佳實施例制備的氣體傳感器在室溫下對不同濃度氨氣的響應曲線圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明的實施做詳細的說明。本實施例在以本發明的技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0027]實施例1
[0028]將氧化鋅納米線0.1g與聚乙烯吡咯烷酮0.1g共同溶于30ml的去離子水中，超聲15min得到第一份溶液。將石墨烯0.3g溶解于30ml的去離子水中，超聲15min得到第二份溶液。將兩種溶液混合后攪拌lh，離心3次后置于真空烘箱內50°C干燥24h，得到氧化鋅納米線-氧化石墨烯復合材料。
[0029]將得到的氧化鋅納米線-氧化石墨烯復合材料進行氬氣保護下的退火，退火溫度為300°C，退火時間為30min，得到氧化鋅納米線-石墨稀復合材料。以lmg/L的濃度將復合材料的粉末加入到去離子水中，以40KHz超聲處理lOmin，使得復合材料均勻分散在去離子水中，從而得到氧化鋅納米線-石墨烯復合材料的分散液。
[0030]采用微機械加工工藝制備金電極，控制正負電極的間距為800 μ m，相鄰電極的間距為300 μ m。取I μ L的氧化鋅納米線-石墨烯復合材料的分散液滴加到電極表面，2000C真空干燥lh，從而得到氧化鋅納米線-石墨稀氣體傳感器。
[0031]圖1為本發明的傳感器結構示意圖，表述了氧化鋅納米線-石墨烯復合材料的傳感原理，通過檢測復合材料與氨氣作用時的電阻變化來實現對氨氣的響應。
[0032]圖2為氧化鋅納米線-石墨烯復合材料的掃描電鏡照片，可以看到氧化鋅納米線均勻且緊密地復合在了石墨烯上。
[0033]圖3為純石墨稀對50ppm濃度氨氣的響應曲線圖。圖4為氧化鋅納米線-石墨稀復合材料對50ppm濃度氨氣的響應曲線圖。通過圖3和圖4對比可以發現，經過復合以后，傳感器對氨氣的響應明顯增強。
[0034]圖5為氧化鋅納米線-石墨烯氣體傳感器對不同濃度氨氣的響應曲線圖，隨著氨氣濃度的增加，氣體傳感器的響應值逐漸增大，最低響應濃度可達到50ppb。
[0035]實施例2
[0036]步驟如實施例1，將氧化鋅納米線-石墨烯復合材料中氧化鋅納米線的質量百分含量由25%降低到10%，制得氣體傳感器對50ppm濃度氨氣的響應值降低到6.20Z0o
[0037]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【主權項】
1.一種氧化鋅納米線-石墨稀氣體傳感器，其特征在于，所述氣體傳感器包括基底、叉指電極和氣敏涂層；所述叉指電極位于所述基底之上，所述氣敏涂層覆蓋在所述叉指電極的表面；所述氣敏涂層是氧化鋅納米線-石墨烯復合材料。2.根據權利要求1所述的一種氧化鋅納米線-石墨烯氣體傳感器，其特征在于，所述基底為硅基底、聚合物基底、陶瓷基底或藍寶石基底中的一種。3.根據權利要求1所述的一種氧化鋅納米線-石墨烯氣體傳感器，其特征在于，所述叉指電極由微機械加工工藝得到，所述叉指電極的正負電極間距為300?800 μπι，相鄰兩個所述叉指電極的間距為100?500 μ m。4.根據權利要求1所述的一種氧化鋅納米線-石墨稀氣體傳感器，其特征在于，所述氣敏涂層成分的質量百分比為:5?50%的所述氧化鋅納米線，50?95%的所述石墨烯。5.根據權利要求1-4任一項所述的一種氧化鋅納米線-石墨烯氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述制備方法按照以下步驟進行: 步驟1，將氧化石墨烯溶于第一份溶劑，超聲15min制得第一份溶液； 步驟2，將氧化鋅納米線和表面活性劑共同溶于第二份溶劑，超聲15min制得第二份溶液； 步驟3，在攪拌狀態下，將所述第二份溶液與所述第一份溶液混合，持續攪拌2h，再離心洗滌3次，最后置于真空烘箱中50°C干燥24h，得到氧化鋅納米線-氧化石墨烯復合材料； 步驟4，將所述氧化鋅納米線-氧化石墨稀復合材料進行退火，得到氧化鋅納米線-石墨烯復合材料； 步驟5，將所述氧化鋅納米線-石墨烯復合材料制成分散液，將所述分散液滴加到所述叉指電極表面，烘干后形成所述氣敏涂層，測試氣體傳感性能。6.根據權利要求5所述的一種氧化鋅納米線-石墨稀氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述第一份溶劑與所述第二份溶劑是指:去離子水、N，N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺、甲醇、乙醇或丙酮之中的一種或者任意多種的組合物。7.根據權利要求5所述的一種氧化鋅納米線-石墨稀氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述表面活性劑為聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨、檸檬酸銨之中的一種。8.根據權利要求5所述的一種氧化鋅納米線-石墨稀氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述攪拌為磁力攪拌或機械攪拌，攪拌速度為10?500rpm。9.根據權利要求5所述的一種氧化鋅納米線-石墨稀氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述分散液是指:以1?10mg/L的濃度將所述氧化鋅納米線-石墨烯復合材料加入至第三份溶劑中，以50?ΙΟΟΚΗζ超聲波處理10?20min，使所述氧化鋅納米線-石墨稀復合材料均勻分散在所述第三份溶劑中，從而得到所述分散液。10.根據權利要求9所述的一種氧化鋅納米線-石墨稀氣體傳感器的制備方法，其特征在于，所述第三份溶劑是指:去離子水、N，N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺、甲醇、乙醇或丙酮之中的一種或者任意多種的組合物。
【專利摘要】本發明公開了一種氧化鋅納米線-石墨烯氣體傳感器及其制備方法，屬于氣體檢測技術領域。氣體傳感器由基底、叉指電極和氣敏涂層組成，其中氣敏涂層是氧化鋅納米線-石墨烯復合材料。傳感器制備過程分為：1)制備氧化鋅納米線和石墨烯納米復合材料；2)采用微機械加工方法在基底上加工制備叉指電極，再在其表面覆蓋一層納米復合材料作為氣敏涂層，組成傳感器件。氣體傳感器在室溫下對氨氣的檢測下限達到了50ppb，同時具有較短的響應時間、較強的重復穩定性和較好的氣體選擇性。此氣體傳感器適合在室溫下對氨氣進行高靈敏度的檢測。
【IPC分類】G01N27/12
【公開號】CN105259218
【申請號】CN201510716975
【發明人】楊志, 孫震, 湯雪輝, 王濤, 魏浩, 張亞非
【申請人】上海交通大學
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年10月28日