[發明專利]石墨烯/二氧化錫納米復合電阻型薄膜氣體傳感器及其制作方法

無效

• 申請號: 201210087432.1
• 申請日: 2012-03-29
• 公開（公告）號: CN102636522A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 李揚;楊慕杰;林乾乾
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及一種具有室溫氣敏響應特性的納米復合電阻型薄膜氣體傳感器及其制作方法，尤其是石墨烯/二氧化錫納米復合電阻型薄膜氣體傳感器及其制作方法。

背景技術

社會的進步和技術的發展為傳感器的研究和應用提供了廣闊的空間。氣體傳感器是一類重要的化學傳感器，在工業生產、過程控制、環境監測和保護以及反恐等領域有著廣泛的應用，并在現代科技發展和人們生活中起著日益重要的作用。研制具有高靈敏度、低成本、小型化、低功耗等優點的高性能氣體傳感器受到了國內外廣泛關注，而要實現傳感器性能的優化，關鍵在于開發具有同時優異響應特性的氣敏材料。當前以二氧化錫、二氧化鈦等為代表的無機半導體是應用最為廣泛的氣敏材料之一，其具有制備簡便，檢測氣體種類多等優點，但同時也存在一些不足，如響應靈敏度不夠高，響應回復性和響應時間等還不夠理想等。特別是這類氣敏材料和氣體傳感器通常需要加熱在較高溫度下才能具有氣敏響應。這使得其能耗較高，難以制備便攜式儀表。同時高的工作溫度影響傳感器的穩定性，而且不適宜在存在易爆氣體的場所使用，使其應用受到一定限制。為了解決這一問題，降低傳感器工作溫度以致實現室溫檢測，通常采用將無機半導體氣敏材料與貴金屬等摻雜，將材料納米化，或者將其與導電高分子氣敏材料復合等方法，以期提高敏感材料比表面積，促進氣體吸附及敏感膜表面反應動力學過程等，從而增加在室溫下的響應靈敏度。近年來，納米結構碳材料研究十分活躍，從零維的富勒烯發展到一維碳納米管和二維石墨烯。它們在傳感器的制備及性能改進上的研究也受到重視。已經有很多報道利用碳納米管的納米尺寸效應及極大的比表面積制備得到了高靈敏度，快響應的氣體傳感器。研究還發現石墨烯與無機半導體氣敏材料復合可明顯提高其響應靈敏度，并加快響應，甚至有望實現室溫下的高靈敏度氣體響應。這方面研究目前已成為傳感器研究的重要方向之一，發展非常迅速。

發明內容

本發明的目的是提供一種在室溫下具有高靈敏度氣體響應特性的石墨烯/二氧化錫納米復合電阻型薄膜氣敏傳感器及其制作方法。

本發明的石墨烯/二氧化錫納米復合電阻型薄膜氣體傳感器，具有陶瓷基體，在陶瓷基體表面光刻和蒸發有多對叉指金電極，在叉指金電極上連接有引線，在陶瓷基體和叉指金電極表面涂覆有氣敏薄膜，該氣敏薄膜為石墨烯和二氧化錫的納米復合物。

石墨烯/二氧化錫納米復合電阻型薄膜氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：

（1）清洗表面光刻和蒸發有叉指金電極的陶瓷基片，烘干備用；

（2）配制濃度為0.01?mg/mL~5?mg/mL氧化石墨烯水溶液，然后加入二水合二氯化錫和脲，氧化石墨烯水溶液、二水合二氯化錫和脲的重量比為1：0.00225~0.1125：0.005~0.05，攪拌及超聲波振蕩使充分混合，制得前驅體溶液，將前驅體溶液加入水熱釜中在80~120℃下反應1~12小時，制得石墨烯/二氧化錫納米復合物溶液；

（3）將步驟（2）制備的石墨烯/二氧化錫納米復合物溶液滴涂在步驟（1）的具有陶瓷基底的叉指金電極表面，在80～140℃下熱處理0.5～3小時，制得石墨烯/二氧化錫納米復合電阻型薄膜氣體傳感器。

本發明的優點是：

1）所制備的石墨烯/二氧化錫復合物具有精細的三維納米結構，大的比表面積，使傳感器在室溫下具有很高的響應靈敏度，快速響應和良好的響應可逆性，解決了二氧化錫氣體傳感器通常需要加熱在高溫下才能工作的問題。

2）采用水熱法一步合成石墨烯/二氧化錫復合物，方法操作簡單，成本低廉，簡單易行。而且可以通過控制水熱時間，水熱溫度及前驅體溶液的組成等參數方便地實現復合物的組成、結構和形貌等的調控。

3）納米復合物前驅體中氧化石墨烯的引入，為二氧化錫納米晶粒的生長提供了良好的模板，由此可以獲得尺寸很小的二氧化錫納米粒子，其可以緊密分布在還原的石墨烯納米片層上，同時還可進行組裝形成花瓣狀納米片填充石墨烯片層空隙，形成具有極大比表面積的三維納米結構，可極大地促進氣體吸附和擴散，有利于提高響應靈敏度。此外，氧化石墨烯的引入還可以促進二氧化錫選擇性地沿某些晶面取向生長，這也可促進其與檢測氣體之間催化反應，提高響應靈敏度。

4）納米復合物中石墨烯的引入，可顯著提高復合氣體傳感器的導電性，避免通常二氧化錫氣體傳感器因其室溫電阻過高，響應靈敏度極低而難以實現室溫檢測的問題。

5）采用氯化亞錫作為二氧化錫的前驅體，比四氯化錫等做前驅體更容易制備得到具有納米尺寸的大比表面積二氧化錫晶體，且水熱反應溫度較低，時間較短。